利用磁鬆弛：「吃豆人效應」能精確組織超順磁珠

比常規分子或原子更大但肉眼看不見的顆粒可以形成各種有用的結構，包括用於微型機器人的微型螺旋槳、細胞探針和專為靶向藥物輸送而設計的可操縱微輪。

萊斯大學麗莎·比斯瓦爾 (Lisa Biswal) 的化學工程師團隊發現，將某一類此類顆粒（具有特殊磁敏感性的微米級珠子）暴露於快速交替、旋轉的環境中。使它們組織成方向相關或各向異性的結構。這項發現很重要，因為可以調整各向異性來開發新的、可自訂的材料結構和性能。

化學和生物分子科學家Aldo Spatafora-Salazar 表示：「我們的主要發現是，透過在每次旋轉後改變磁場的旋轉方向，我們可以在粒子之間產生各向異性的相互作用勢，這在以前尚未完全實現。發表在美國國家科學院院刊。

該研究的另一位第一作者 Dana Lobmeyer 解釋說，該研究中受到審查的顆粒統稱為超順磁膠體，其對磁場的響應性使其成為具有定制功能的高性能材料的流行構建模組。

「這項發現對於自下而上的研究具有重要意義設計，特別是因為我們專注於膠體與磁場之間相互作用的一個方面，而這個方面通常被忽略？”，比斯瓦爾建議的萊斯博士校友洛布梅爾說。

弛豫時間是指磁珠對磁場方向變化的磁響應延遲。研究人員推測，這種延遲與交變磁場的影響相結合，會影響珠子的相互作用，使它們在二維上排列成晶格，並在三維上形成細長的、對齊的簇。

「超順磁珠的延遲磁響應或磁弛豫時間以前被認為可以忽略不計，但我們發現，將其考慮在內並將其與交變磁場的效果耦合是一種有效的鍛鍊方式該研究的通訊作者、萊斯大學化學工程教授、材料科學和奈米工程教授、負責教師發展的高級副院長比斯瓦爾說。

該研究結合了實驗、模擬和理論預測。在實驗中，團隊研究了濃縮和稀釋的磁珠懸浮液與不同強度和頻率的交變磁場的結合。

「濃縮的珠子形成細長的、對齊的簇，我們分析了不同的參數如何影響它們的形狀，」斯帕塔福拉-薩拉查說。 “稀釋懸浮液簡​​化了系統，使我們能夠研究兩個珠子之間的相互作用——該系統的一個版本稱為二聚體。”

二聚體的實驗見解有助於解釋較大簇中的排列和伸長。然而，只有在考慮磁弛豫時間測量（構成即將進行的單獨研究的主題）時才匹配模擬。

數據的一個有趣的變化是透過珠子磁化分佈描述的吃豆人形狀：在磁化狀態下，每個珠子都會獲得一個偶極子——一對負電荷和正電荷，就像南北軸一樣。

為了響應旋轉磁場，偶極子像指南針一樣移動，將所有珠子沿著相同的方向對齊。然而，由於磁弛豫，針不會旋轉完整的 360 度，在繪製數據時會留下吃豆人的嘴。

「沿著嘴部的相互作用最弱，但沿著頭部的相互作用最強，導致二聚體和簇的排列，」洛布梅爾說。 “如果不偏離研究這些珠子的傳統假設，我們就無法理解這種現象。”