劍橋大學研究人員利用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，由劍橋大學卡文迪什實驗室領(lǐng)導的一個國際科學家團隊利用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行強磁場互動。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)生的磁場中產(chǎn)生納米級的拓撲紋理。

研究小組認為，他們可以利用這一現(xiàn)象來密切控制納米級的磁力，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："這種在納米級尺度上對磁場進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，并了解我們在對這些磁場進行圖案化時能走多遠。如果我們能在納米尺度上控制這些磁力，我們就更接近于達到與我們在二維空間的控制程度。"

△一個3D打印的螺旋形納米磁鐵及其新型磁場。圖片來自劍橋大學。

二維磁性系統(tǒng)的局限性

盡管你可能沒有意識到，但磁性設(shè)備對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，而且它們對日常計算至關(guān)重要。

不幸的是，傳統(tǒng)的計算設(shè)備正在迅速達到其小型化的極限，因為它們是基于二維磁系統(tǒng)的。因此，為了推進計算和數(shù)據(jù)存儲，劍橋團隊表示，人們對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)可以實現(xiàn)更高的信息密度（用更少的物理空間進行更多的存儲）和整體性能的提高。

唐納利補充說："圍繞著一項尚未建立的技術(shù)，有很多工作要做，這項技術(shù)被稱為賽馬場存儲器，首先由斯圖爾特-帕金提出。這個想法是將數(shù)字數(shù)據(jù)存儲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設(shè)備"。

到目前為止，過渡到這個新領(lǐng)域已被證明是困難的，因為需要了解擴大到3D對系統(tǒng)的磁化和磁場的影響。

因此，唐納利和團隊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。

將磁化放大到第三維

劍橋大學的研究團隊使用保羅-舍勒研究所的瑞士光源的PolLux光束線（一種先進的X射線成像技術(shù)）對3D打印納米磁體進行三維測量，據(jù)報道，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，磁疇之間的一對壁是耦合的，從而導致了變形。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)導致了磁化中有趣的拓撲學納米紋理，在這里我們相對習慣于看到這樣的紋理，而且在磁雜散場中也發(fā)現(xiàn)了令人興奮的新納米級場配置！"

在成功地3D打印出具有三維磁化的磁體后，科學家們現(xiàn)在將探索生產(chǎn)具有三維磁場的更復雜系統(tǒng)。這項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。圖片來自劍橋大學。

這項研究的更多細節(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。來自廈門大學的研究人員之前已經(jīng)3D打印了射頻（RF）探測頭，能夠進行常規(guī)和非常規(guī)的磁共振（MR）實驗。磁共振技術(shù)被廣泛用于科學研究、地質(zhì)調(diào)查和通過磁共振掃描進行臨床診斷。

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