剑桥大学研究人员利用3D打印技术开发新型螺旋形纳米磁体

颗粒在线讯：2022年1月6日，由剑桥大学卡文迪什实验室领导的一个国际科学家团队利用3D打印技术开发了一套新型的微观纳米磁体。

研究人员使用一种定制的3D打印工艺，开发出呈DNA双螺旋形状的纳米磁体。根据研究小组的说法，这种非常规的结构使其能够以一种前所未有的方式在螺旋体之间进行强磁场互动。具体来说，这种3D打印螺旋通过相互扭转，可以在它们产生的磁场中产生纳米级的拓扑纹理。

研究小组认为，他们可以利用这一现象来密切控制纳米级的磁力，为 "下一代 "磁性设备铺平道路。

该研究的第一作者唐纳利（Claire Donnelly）解释说："这种在纳米级尺度上对磁场进行图案化的新能力使我们能够确定哪些力将被应用于磁性材料，并了解我们在对这些磁场进行图案化时能走多远。如果我们能在纳米尺度上控制这些磁力，我们就更接近于达到与我们在二维空间的控制程度。"

△一个3D打印的螺旋形纳米磁铁及其新型磁场。图片来自剑桥大学。

二维磁性系统的局限性

尽管你可能没有意识到，但磁性设备对于我们的生活中的许多部分是不可或缺的。磁铁被用于能源发电应用，它们被用于数据存储，而且它们对日常计算至关重要。

不幸的是，传统的计算设备正在迅速达到其小型化的极限，因为它们是基于二维磁系统的。因此，为了推进计算和数据存储，剑桥团队表示，人们对过渡到三维磁性系统的兴趣越来越大。使用三维纳米线架构，三维磁性系统可以实现更高的信息密度（用更少的物理空间进行更多的存储）和整体性能的提高。

唐纳利补充说："围绕着一项尚未建立的技术，有很多工作要做，这项技术被称为赛马场存储器，首先由斯图尔特-帕金提出。这个想法是将数字数据存储在纳米线的磁域壁中，以产生具有高可靠性、高性能和高容量的信息存储设备"。

到目前为止，过渡到这个新领域已被证明是困难的，因为需要了解扩大到3D对系统的磁化和磁场的影响。

因此，唐纳利和团队的其他成员在过去几年里一直在研究和开发新的方法，以使三维磁结构可视化。他们还开发了一种磁性材料的3D打印技术，本研究中使用的就是这种技术。

△3D打印的纳米磁铁的SEM成像。图片来自剑桥大学。

将磁化放大到第三维

剑桥大学的研究团队使用保罗-舍勒研究所的瑞士光源的PolLux光束线（一种先进的X射线成像技术）对3D打印纳米磁体进行三维测量，据报道，它是唯一可以提供软X射线层析的光束线。

研究人员发现，与通常在2D系统中所观测到的纹理相比，他们的3D打印螺旋形磁体具有不一样的磁化纹理。此外，磁畴之间的一对壁是耦合的，从而导致了变形。通过相互吸引，这些磁壁被视为旋转并 "锁定到位"，在打印磁体的螺旋之间产生了强大的结合（很像DNA双螺旋中的结合）。

唐纳利说："我们不仅发现3D结构导致了磁化中有趣的拓扑学纳米纹理，在这里我们相对习惯于看到这样的纹理，而且在磁杂散场中也发现了令人兴奋的新纳米级场配置！"

在成功地3D打印出具有三维磁化的磁体后，科学家们现在将探索生产具有三维磁场的更复杂系统。这项工作显示了在各种领域的前景，包括粒子捕集、成像技术和智能材料。

△三维打印的纳米磁体的三维磁场。图片来自剑桥大学。

这项研究的更多细节可以在题为《Complex free-space magneticfield textures induced by three-dimensional magnetic nanostructures》的论文中找到。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-01027-7

3D打印磁性材料在创建智能系统和一大批新的应用展现出巨大潜力。来自厦门大学的研究人员之前已经3D打印了射频（RF）探测头，能够进行常规和非常规的磁共振（MR）实验。磁共振技术被广泛用于科学研究、地质调查和通过磁共振扫描进行临床诊断。

在其他地方，来自格勒诺布尔大学的研究人员先前开发了一种3D打印具有可变形磁场的微结构的方法。该方法涉及在标准的双光子聚合（2PP）3D打印对象中加入磁性微珠。通过定制材料的属性以及微珠的方向，科学家们能够创造出复杂的纳米镊子，只需使用外部磁场就能操作。