粒子組裝成高階結構是部分介觀物質的起源。超粒子就是這樣的一類膠體，膠體規(guī)模的超結構必須在對局部相互作用的精確控制下進行組裝。傳統(tǒng)上自組裝膠體通過非特異性相互作用驅動，例如范德華力和靜電。一種誘導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，外部場驅動的組裝無法提供對超粒子局部排列的內在控制。缺乏對膠體局部組裝構型的控制將超結構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，使用遠距離場驅動的相互作用組裝具有明確結構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相互作用進行編程。通過控制構件的連接性，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外部場強的變化而動態(tài)地重構。具有預定對稱性的可調、本體組裝的膠體物質提供了一個平臺，可以設計具有可預編程的物理和化學特性的功能性微結構材料。
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。組裝的結構是瞬態(tài)的，并且在關閉外部磁場時消失。由于它們的負表面電荷，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：多極相互作用會導致組裝，而遠距離磁力排斥則會導致分離，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，團簇以各種結構出現(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型的膠體異構體。衛(wèi)星粒子與核的總比例增加會導致Janus粒子的特征捕獲空間內非磁性粒子的數(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果。在組裝過程中，從非磁性半球側接近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優(yōu)勢。因此，對于給定的團簇大小，X優(yōu)于異構體Y，后者在非磁性半球上附著一個粒子，異構體Y比異構體Z在熱力學上更有利。
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。
膠體相互作用的調優(yōu)技術構成了未來功能應用開發(fā)的工具集。在此背景下，本研究連接了超粒子工程領域的兩大研究潮流:以可重復性為代價獲得的簡單的、可擴展的方法，以及經(jīng)過多個復雜階段組裝而成的高度精確的結構。
