比普通分子或原子大但肉眼看不见的粒子可以形成各种有用的结构，包括微型机器人的微型螺旋桨、细胞探针和设计用于靶向药物输送的可操纵微轮。
莱斯大学的Lisa Biswal的化学工程师团队发现，将一类这样的粒子——微米大小的珠子，具有特殊的磁敏感性——暴露在快速交替旋转的磁场中，会使它们组织成方向依赖或各向异性的结构。这一发现很重要，因为可以调整各向异性来开发新的、可定制的材料结构和性能。
比斯瓦尔实验室的化学和生物分子工程研究科学家Aldo Spatafora-Salazar说:“我们的关键发现是，通过在每次旋转后交替磁场的旋转方向，我们可以在粒子之间创造出一种各向异性的相互作用势，这在以前没有完全实现过。”他是发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究的主要作者之一。
该研究的另一位第一作者Dana Lobmeyer解释说，研究中仔细研究的颗粒统称为超顺磁胶体，它们对磁场的响应性使它们成为具有定制功能的高性能材料的流行构建块。
“这一发现对于自下而上的先进材料设计具有重要意义，特别是因为我们研究了胶体和磁场之间相互作用的一个方面，即磁松弛时间，这通常被忽视，”比斯瓦尔建议的莱斯大学博士校友Lobmeyer说。
弛豫时间是指磁珠对磁场方向变化的磁响应延迟。研究人员假设，这种延迟与交变磁场的影响结合在一起，会影响珠子的相互作用，导致它们在二维上排列成晶格，在三维上形成细长的排列簇。
“超顺磁珠的延迟磁响应或磁弛豫时间以前被认为可以忽略不计，但我们发现，将其考虑进去，并将其与交变磁场的影响相结合，是对粒子进行精确控制的有力方法。”该研究的通讯作者、莱斯大学威廉·m·麦卡戴尔化学工程教授、材料科学和纳米工程教授、负责学院发展的高级副院长比斯瓦尔说。
这项研究结合了实验、模拟和理论预测。在实验中，研究小组观察了浓缩和稀释的磁珠悬浮液与不同强度和频率的交变磁场的结合。
Spatafora-Salazar说:“浓缩的珠子形成细长、排列的簇，我们分析了不同的参数是如何影响它们的形状的。”“稀释悬浮液简化了该系统，使我们能够研究两个头部之间的相互作用——该系统的一个版本被称为二聚体。”
来自二聚体的实验见解有助于解释较大簇中的排列和延伸。然而，一旦考虑到磁弛豫时间的测量(这是即将到来的单独研究的主题)，实验数据才与模拟相匹配。
数据的一个有趣的转折是，一个珠子的磁化分布描述了吃豆人的形状:在磁化状态下，每个珠子都有一个偶极子——一对像南北轴一样的负电荷和正电荷。
作为对旋转磁场的响应，偶极子像指南针一样移动，使所有的珠子沿着相同的方向排列。然而，由于磁松弛，针不能旋转360度，当数据绘制出来时，留下的是吃豆人的嘴。
洛梅耶说:“这种相互作用在嘴部最弱，但在头部最强，这导致了二聚体和簇的排列。”“如果不偏离用于研究这些珠子的传统假设，我们就无法理解这种现象。”
