劍橋大學(xué)研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)新型螺旋形納米磁體

2022年1月6日，南極熊獲悉，由劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)開發(fā)了一套新型的微觀納米磁體。

研究人員使用一種定制的3D打印工藝，開發(fā)出呈DNA雙螺旋形狀的納米磁體。根據(jù)研究小組的說法，這種非常規(guī)的結(jié)構(gòu)使其能夠以一種前所未有的方式在螺旋體之間進(jìn)行強(qiáng)磁場(chǎng)互動(dòng)。具體來說，這種3D打印螺旋通過相互扭轉(zhuǎn)，可以在它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)中產(chǎn)生納米級(jí)的拓?fù)浼y理。

研究小組認(rèn)為，他們可以利用這一現(xiàn)象來密切控制納米級(jí)的磁力，為 "下一代 "磁性設(shè)備鋪平道路。

該研究的第一作者唐納利（Claire Donnelly）解釋說："這種在納米級(jí)尺度上對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行圖案化的新能力使我們能夠確定哪些力將被應(yīng)用于磁性材料，并了解我們?cè)趯?duì)這些磁場(chǎng)進(jìn)行圖案化時(shí)能走多遠(yuǎn)。如果我們能在納米尺度上控制這些磁力，我們就更接近于達(dá)到與我們?cè)诙�維空間的控制程度。"

△一個(gè)3D打印的螺旋形納米磁鐵及其新型磁場(chǎng)。圖片來自劍橋大學(xué)。

二維磁性系統(tǒng)的局限性

盡管你可能沒有意識(shí)到，但磁性設(shè)備對(duì)于我們的生活中的許多部分是不可或缺的。磁鐵被用于能源發(fā)電應(yīng)用，它們被用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，而且它們對(duì)日常計(jì)算至關(guān)重要。

不幸的是，傳統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備正在迅速達(dá)到其小型化的極限，因?yàn)樗鼈兪腔�于二維磁系統(tǒng)的。因此，為了推進(jìn)計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，劍橋團(tuán)隊(duì)表示，人們對(duì)過渡到三維磁性系統(tǒng)的興趣越來越大。使用三維納米線架構(gòu)，三維磁性系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的信息密度（用更少的物理空間進(jìn)行更多的存儲(chǔ)）和整體性能的提高。

唐納利補(bǔ)充說："圍繞著一項(xiàng)尚未建立的技術(shù)，有很多工作要做，這項(xiàng)技術(shù)被稱為賽馬場(chǎng)存儲(chǔ)器，首先由斯圖爾特-帕金提出。這個(gè)想法是將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在納米線的磁域壁中，以產(chǎn)生具有高可靠性、高性能和高容量的信息存儲(chǔ)設(shè)備"。

到目前為止，過渡到這個(gè)新領(lǐng)域已被證明是困難的，因?yàn)樾枰�了解擴(kuò)大到3D對(duì)系統(tǒng)的磁化和磁場(chǎng)的影響。

因此，唐納利和團(tuán)隊(duì)的其他成員在過去幾年里一直在研究和開發(fā)新的方法，以使三維磁結(jié)構(gòu)可視化。他們還開發(fā)了一種磁性材料的3D打印技術(shù)，本研究中使用的就是這種技術(shù)。

△3D打印的納米磁鐵的SEM成像。圖片來自劍橋大學(xué)。

將磁化放大到第三維

劍橋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用保羅-舍勒研究所的瑞士光源的PolLux光束線（一種先進(jìn)的X射線成像技術(shù)）對(duì)3D打印納米磁體進(jìn)行三維測(cè)量，據(jù)報(bào)道，它是唯一可以提供軟X射線層析的光束線。

研究人員發(fā)現(xiàn)，與通常在2D系統(tǒng)中所觀測(cè)到的紋理相比，他們的3D打印螺旋形磁體具有不一樣的磁化紋理。此外，磁疇之間的一對(duì)壁是耦合的，從而導(dǎo)致了變形。通過相互吸引，這些磁壁被視為旋轉(zhuǎn)并 "鎖定到位"，在打印磁體的螺旋之間產(chǎn)生了強(qiáng)大的結(jié)合（很像DNA雙螺旋中的結(jié)合）。

唐納利說："我們不僅發(fā)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了磁化中有趣的拓?fù)鋵W(xué)納米紋理，在這里我們相對(duì)習(xí)慣于看到這樣的紋理，而且在磁雜散場(chǎng)中也發(fā)現(xiàn)了令人興奮的新納米級(jí)場(chǎng)配置！"

在成功地3D打印出具有三維磁化的磁體后，科學(xué)家們現(xiàn)在將探索生產(chǎn)具有三維磁場(chǎng)的更復(fù)雜系統(tǒng)。這項(xiàng)工作顯示了在各種領(lǐng)域的前景，包括粒子捕集、成像技術(shù)和智能材料。

△三維打印的納米磁體的三維磁場(chǎng)。圖片來自劍橋大學(xué)。

這項(xiàng)研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為《Complex free-space magneticfield textures induced by three-dimensional magnetic nanostructures》的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-01027-7

3D打印磁性材料在創(chuàng)建智能系統(tǒng)和一大批新的應(yīng)用展現(xiàn)出巨大潛力。來自廈門大學(xué)的研究人員之前已經(jīng)3D打印了射頻（RF）探測(cè)頭，能夠進(jìn)行常規(guī)和非常規(guī)的磁共振（MR）實(shí)驗(yàn)。磁共振技術(shù)被廣泛用于科學(xué)研究、地質(zhì)調(diào)查和通過磁共振掃描進(jìn)行臨床診斷。

在其他地方，來自格勒諾布爾大學(xué)的研究人員先前開發(fā)了一種3D打印具有可變形磁場(chǎng)的微結(jié)構(gòu)的方法。該方法涉及在標(biāo)準(zhǔn)的雙光子聚合（2PP）3D打印對(duì)象中加入磁性微珠。通過定制材料的屬性以及微珠的方向，科學(xué)家們能夠創(chuàng)造出復(fù)雜的納米鑷子，只需使用外部磁場(chǎng)就能操作。