以“蚂蚁桥”为灵感的纳米粒子组装能修复损坏电路吗?

群居昆虫群体具有自组织能力,能够通过个体间的相互作用完成复杂的任务。例如,为了跨越巨大的缝隙,蚂蚁会互相抓住对方的身体,形成一座活桥,让蚁群能够到达另一边。受蚂蚁群体行为的启发,香港中文大学的科学家开发了一种纳米粒子自组装系统,可以修复损坏的电路。由氧化铁制成的纳米粒子具有磁性,可以被磁场控制。它们被涂上一层能导电的金。在外加磁场作用下,纳米粒子可以自组织成带状导电结构。

纳米粒子色带的长度和厚度可以通过微调磁场来控制,当磁场关闭后,色带就会“干燥”成坚硬的结构。这种“微群”系统通过在两个断开的电极之间建立稳定和永久的导电通路,模仿蚂蚁桥的结构和功能,展示了修复破损微尺度电路的能力。这项研究是一个有趣的例子,说明科学和技术是如何从自然中获得灵感。与蚁群相似,大量的纳米颗粒能够共同完成单个纳米颗粒无法完成的任务。

目前,纳米粒子带只能在二维表面固定断裂的电路。该系统的未来发展应该集中在提高纳米颗粒组装的精度上,并有可能开发出一种跨越三维间隙的连接方法,从而真正实现类似于蚂蚁桥的连接。在人工机器人系统中模拟这种集体行为有望在各个工程领域带来好处,并已通过详细的算法和物理设计部分实现。然而,在小尺度上开发具有群级功能的群机器人系统仍然是一个挑战。本研究以顺磁性、导电性的功能化磁铁矿纳米颗粒为构件,实现了一个模拟蚂蚁桥结构和功能的微群系统。

尽管应用了程式化的振荡磁场,这些构建块被重新配置成一个带状的微群,该微群可以实现高纵横比的可逆延伸,从而能够在两个与功能化纳米颗粒体断开的电极之间构建电子的导电通道。此外,还证明了微群作为一种微开关,修复损坏的微电路,构成柔性电路,在电子领域具有广阔的应用前景。