3D打印纳米磁铁揭示了磁场中的图案世界

科学家们使用最先进的 3D 打印和显微镜技术，让人们对将磁铁带到纳米级的三维(比人的头发还小 1000 倍)时会发生什么的一瞥。

由剑桥大学卡文迪什实验室领导的国际研究小组利用他们开发创造磁双螺旋样DNA，其扭曲彼此围绕双螺旋结构的先进的3D打印技术，结合弯曲，手性，和强磁场场螺旋之间的相互作用。这样做，科学家们发现这些磁性双螺旋在磁场中产生纳米级拓扑结构，这是以前从未见过的，为下一代磁性设备打开了大门。结果发表在《自然纳米技术》上。

磁性设备影响我们社会的许多不同部分，磁铁用于产生能量、数据存储和计算。但是磁性计算设备正在快速接近二维系统中的缩小极限。对于下一代计算，人们越来越关注移动到三维，其中不仅可以通过 3D 纳米线架构实现更高的密度，而且三维几何形状可以改变磁性并提供新的功能。

“围绕着一种尚未建立的技术进行了大量工作，该技术称为赛道存储器，该技术首先由 Stuart Parkin 提出。其想法是将数字数据存储在纳米线的磁畴壁中，以生产具有高可靠性的信息存储设备、性能和容量，”该研究的第一作者、剑桥卡文迪许实验室的克莱尔·唐纳利 (Claire Donnelly) 说，她最近搬到了马克斯·普朗克固体化学物理研究所。

“但直到现在，这个想法一直很难实现，因为我们需要能够制造三维磁系统，我们还需要了解进入三维对磁化强度和磁场的影响。 ”

“因此，在过去几年中，我们的研究重点是开发可视化三维磁性结构的新方法——想想医院的 CT 扫描，但对于磁铁。我们还开发了一种用于磁性材料的 3D 打印技术。”

3D 测量是在 Paul Scherrer 研究所瑞士光源的 PolLux 光束线上进行的，这是目前唯一能够提供软 X 射线层析成像的光束线。使用这些先进的 X 射线成像技术，研究人员观察到，与 2D 相比，3D DNA 结构导致磁化结构不同。相邻螺旋中的磁畴(磁化强度都指向同一方向的区域)之间的壁对高度耦合，因此会变形。这些壁相互吸引，并且由于 3D 结构，它们旋转、“锁定”到位并形成牢固、规则的键，类似于 DNA 中的碱基对。

“我们不仅发现 3D 结构在磁化中产生有趣的拓扑纳米纹理，我们相对习惯于在那里看到这种纹理，而且在杂散磁场中也发现了令人兴奋的新纳米级场配置!” 唐纳利说。

“这种在这个长度尺度上对磁场进行模式化的新能力使我们能够定义将哪些力施加到磁性材料上，并了解我们可以在多大程度上对这些磁场进行模式化。如果我们能够在纳米尺度上控制这些磁力，我们更接近于在两个维度上达到相同程度的控制。”

“结果令人着迷——类似 DNA 的双螺旋结构在螺旋之间形成强键，从而使它们的形状变形，”主要作者、前卡文迪什研究员、现就职于纳米科学研究所的阿马里奥费尔南德斯-帕切科解释说。阿拉贡的材料。“但更令人兴奋的是，围绕这些键在磁场中形成漩涡——拓扑结构!”

在磁化方面从两个维度变成了三个维度，现在唐纳利和她来自保罗谢勒研究所和格拉斯哥大学、萨拉戈萨大学、奥维耶多大学和维也纳大学的合作者将探索从两个维度到三个维度的全部潜力磁场。

Fernandez-Pacheco 说：“这项工作的前景是多方面的：磁性螺旋中的这些牢固结合的纹理保证了高度稳健的运动，并且可能成为潜在的信息载体。” “更令人兴奋的是这种在纳米尺度上形成磁场的新潜力，这可以为粒子捕获、成像技术以及智能材料提供新的可能性。”

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