粒子組裝成高階結(jié)構(gòu)是部分介觀物質(zhì)的起源。超粒子就是這樣的一類膠體，膠體規(guī)模的超結(jié)構(gòu)必須在對局部相互作用的精確控制下進(jìn)行組裝。傳統(tǒng)上自組裝膠體通過非特異性相互作用驅(qū)動，例如范德華力和靜電。一種誘導(dǎo)膠體粒子之間長距離定向相互作用的有效方法是施加外部電磁場。但是，外部場驅(qū)動的組裝無法提供對超粒子局部排列的內(nèi)在控制。缺乏對膠體局部組裝構(gòu)型的控制將超結(jié)構(gòu)的種類限制為一維鏈，二維晶體和其他全局各向同性的團簇。因此，使用遠(yuǎn)距離場驅(qū)動的相互作用組裝具有明確結(jié)構(gòu)的離散超粒子仍然是一個挑戰(zhàn)。
近日，路易斯安那州立大學(xué)的Bhuvnesh Bharti教授團隊在《Science Advances》上介紹了一種由離散的“核”和非磁性的“衛(wèi)星”粒子組成的離散各向異性超粒子的動態(tài)組裝。作者通過控制鐵蒸氣在聚苯乙烯核局部表面的沉積來制造磁性層，并對粒子之間的磁場誘導(dǎo)相互作用進(jìn)行編程。通過控制構(gòu)件的連接性，組成和分布，作者展示了三維多組分超粒子的組裝，這些超粒子可以響應(yīng)外部場強的變化而動態(tài)地重構(gòu)。具有預(yù)定對稱性的可調(diào)、本體組裝的膠體物質(zhì)提供了一個平臺，可以設(shè)計具有可預(yù)編程的物理和化學(xué)特性的功能性微結(jié)構(gòu)材料。
作者將核及聚苯乙烯衛(wèi)星粒子混入超順磁性Fe3O4納米顆粒的水性鐵磁流體中配置懸浮液，并將其暴露于均勻的外磁場使衛(wèi)星粒子附著到核上而形成離散的各向異性超粒子組裝。鐵磁層為組裝提供了強大的方向性，大多數(shù)衛(wèi)星粒子都附著在鐵層上。組裝的結(jié)構(gòu)是瞬態(tài)的，并且在關(guān)閉外部磁場時消失。由于它們的負(fù)表面電荷，懸浮液中的所有粒子最初都會相互排斥。一旦施加了外部磁場，該組裝將遵循多步生長機制。超粒子的生長速率與衛(wèi)星粒子的數(shù)量成正比，衛(wèi)星粒子的濃度還決定了超粒子可以達(dá)到的最大尺寸。在暴露于磁場（2500 A m-1）約35分鐘后，這些團簇達(dá)到了接近平衡的狀態(tài)。
溶液中的超粒子會經(jīng)歷吸引力和排斥磁力之間的競爭：多極相互作用會導(dǎo)致組裝，而遠(yuǎn)距離磁力排斥則會導(dǎo)致分離，并限制了密堆積晶體狀相的形成。超粒子之間的自我回避是由A-A偶極排斥引起的。這種自限磁行為導(dǎo)致超粒子有序排列成六邊形陣列。取決于電場強度，鐵層大小和鐵磁流體濃度等因素，團簇以各種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。在某些情況下，衛(wèi)星粒子不僅會聚集在金屬層上，而且會聚集在核的非磁性半球上，組成具有相同成分和不同構(gòu)型的膠體異構(gòu)體。衛(wèi)星粒子與核的總比例增加會導(dǎo)致Janus粒子的特征捕獲空間內(nèi)非磁性粒子的數(shù)量增加，有利于形成較大的團簇。
磁能被表示為施加磁場平面中衛(wèi)星粒子取向角θ的函數(shù)。意外的是，磁能在θ= 109°處顯示局部極小值。這種極小值的存在是由于衛(wèi)星粒子和鐵層之間的吸引力達(dá)到微妙的平衡，再加上非磁性半球和衛(wèi)星粒子之間排斥力的結(jié)果。在組裝過程中，從非磁性半球側(cè)接近Janus粒子的衛(wèi)星粒子會受到90°磁極的強排斥作用和180°赤道的弱排斥作用。同時，它會受到跨Janus顆粒的金屬層的吸引。局部最小值的取向角取決于這些磁性相互作用之間的平衡。較低形成焓的團簇具有熱力學(xué)優(yōu)勢。因此，對于給定的團簇大小，X優(yōu)于異構(gòu)體Y，后者在非磁性半球上附著一個粒子，異構(gòu)體Y比異構(gòu)體Z在熱力學(xué)上更有利。
鐵層大小J對于團簇的磁能分布具有很大影響。浸沒在鐵磁流體中的無鐵層粒子在極點（90°）處呈現(xiàn)單個整體最小值，鐵層的引入使新的全局最小值移到了鐵層的赤道上（0°）。對于Janus粒子，此局部最小值的位置從J = 0.1的93° 移到J = 0.5的109°。將J = 0增加到J = 0.5，衛(wèi)星粒子在局部最小值上的位置將從δ= 0.05μm變?yōu)棣? 1.1μm（δ衛(wèi)星粒子中心與核極軸之間的距離）。核是具有高度可極化的鐵磁不對稱四極子，核在赤道處吸引衛(wèi)星粒子，并在兩極附近排斥它們。鐵層的增加意味著兩種相互作用的加強。如果J減小，相互作用的強度也將減小并使核接近各向同性情況。
膠體相互作用的調(diào)優(yōu)技術(shù)構(gòu)成了未來功能應(yīng)用開發(fā)的工具集。在此背景下，本研究連接了超粒子工程領(lǐng)域的兩大研究潮流:以可重復(fù)性為代價獲得的簡單的、可擴展的方法，以及經(jīng)過多個復(fù)雜階段組裝而成的高度精確的結(jié)構(gòu)。
