Влияние внутренних структур на кинетику перемагничивания феррожидкостей

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе представлены результаты компьютерного моделирования структурообразования в нанодисперсных магнитных жидкостях и влияния этого процесса на кинетику их перемагничивания. Рассматривается система одинаковых сферических однодоменных ферромагнитных частиц, взвешенных в ньютоновской жидкости, с магнитными моментами, «вмороженными» в их тела. Частицы вовлечены в интенсивное броуновское движение. Учитывается магнитное взаимодействие всех частиц со всеми, а также частиц с внешним магнитными полем.

Результаты показывают, что эволюция внутренних структур при изменении внешнего поля может сильно, на несколько порядков величины изменить характерное время перемагничивания феррожидкости. Полученные результаты могут быть полезны для развития как общей теории этих систем, так и многих методов их высокотехнологического применения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. Н. Чириков

Уральский федеральный университет имени Первого Президента России Б. Н. Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: d.n.chirikov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

А. Ю. Зубарев

Уральский федеральный университет имени Первого Президента России Б. Н. Ельцина

Email: d.n.chirikov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

Список литературы

  1. Kole M., Khandekar S. Engineering applications of ferrofluids: A review // J. Magn. Magn. Materials. 2021. V. 537. P. 168222. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168222
  2. Oehlsen O., Cervantes-Ramirez S. I., Cervantes-Aviles P., Medina-Velo I. A. Approaches on ferrofluid synthesis and applications: Current status and future perspectives // ACS Omega. 2022. V. 7. № 4. P. 3134. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c05631
  3. Шлиомис М. И. //Успехи физ. наук. 1974. Т. 112. С. 427.
  4. Блум Э. Я., Майоров М. М., Цеберс А. О. Магнитные жидкости, Рига: Зинатне, 1989. С. 386.
  5. Odenbach S. Colloidal magnetic fluids, basics, development and application of ferrofluids (Ed. Odenbach S.). Springer. 2009.
  6. Philip J. Magnetic nanofluids (Ferrofluids): Recent advances, applications, challenges, and future directions // Adv. Colloid Interface Sci. 2023. V. 311. P. 102810. https://doi.org/10.1016/j.cis.2022.102810
  7. Torres-Diaz I., C. Rinaldi C. Recent progress in ferrofluids research: novel applications of magnetically controllable and tunable fluids // Soft Matter. 2014. V. 10. P. 8584–8602. https://doi.org/10.1039/c4sm01308e
  8. Socoliuc V., Avdeev M.V., Kuncser V., Turcu R., Tombácz E., L. Vékás L. Ferrofluids and bio-ferrofluids: looking back and stepping forward // Nanoscale. 2022. V. 14. P. 4786. https://doi.org/10.1039/D1NR05841J
  9. Mittal A., Roy I., Gandhi S. Magnetic nanoparticles: An overview for biomedical applications // Magnetochemistry. 2022. V. 8. P. 107. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry8090107
  10. Roy K., Roy I. Therapeutic applications of magnetic nanoparticles: recent advances // Mater. Adv. 2022. V. 3. P. 7425–7444. https://doi.org/10.1039/d2ma00444e
  11. Włodarczyk A., Gorgon S., Radon A., Bajdak-Rusinek K. Magnetite nanoparticles in magnetic hyperthermia and cancer therapies: Challenges and perspectives // Nanomaterials. 2022. V. 12. P. 1807.https://doi.org/10.3390/nano12111807
  12. Gontijo R.G., Guimarães A.B. Effect of interparticle correlation on magnetic hyperthermia in biological media: A numerical study // J. Mag. Magn. Materials. 2023. V. 580. P. 170931. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2023.170931
  13. Berkov D. V., Iskakova L. Yu., Zubarev A. Yu. Theoretical study of the magnetization dynamics of non-dilute ferrofluids // Phys. Rev. E. 2009. V. 79. P. 021407. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.79.021407
  14. Sindt J. O., Camp P. J., Kantorovich S. S., Elfimova E.A., Ivanov A. O. Influence of dipolar interactions on the magnetic susceptibility spectra of ferrofluids // Phys. Rev. E. 2016. V. 93. № 6. P. 063117. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.93.063117
  15. Wang Z., Holm C., Müller H. W. Molecular dynamics study on the equilibrium magnetization properties and structure of ferrofluids // Phys. Rev. E. 2002. V. 66. P. 021405. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.66.021405
  16. Mendelev V. S., Ivanov A. O. Ferrofluid aggregation in chains under the influence of a magnetic field // Phys. Rev. E. 2004. V. 70. P. 051502. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.70.051502
  17. http://espressomd.org
  18. Heyes D., Okumura H. Some physical properties of the Weeks-Chandler-Andersen fluid // Mol. Simul. 2006. V. 32. P. 45. https://doi.org/10.1080/08927020500529442
  19. Ewald P. Die Berechnung optischer und elektrostatischer Gitterpotentiale // Ann. Phys. 1921. V. 369. № 3. P. 253. https://doi.org/10.1002/andp.19213690304
  20. de Leeuw S., Perram J., Smith E. Simulation of electrostatic systems in periodic boundary conditions. I. Lattice sums and dielectric constants // Proc. R. Soc. London. 1980. V. 373. P. 27. https://doi.org/10.1098/rspa.1980.0135
  21. Allen M., Tildesley D. Computer Simulation of Liquids (Oxford Science Publications, 1st ed. Clarendon Press, Oxford, 1987).
  22. https://www.open-mpi.org
  23. Wang Z., Holm C. Estimate of the cutoff errors in the Ewald summation for dipolar systems // J. Chem. Phys. 2001. V. 115. P. 6351. https://doi.org/10.1063/1.1398588
  24. Verlet L. Computer “experiments” on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard-Jones molecules // Phys. Rev. 1967. V. 159. № 1. P. 98. https://doi.org/10.1103/PhysRev.159.98
  25. https://www.ks.uiuc.edu/research/vmd
  26. Klokkenburg M., Erne B. H., Meeldijk J. D., Wiedenmann A., Petukhov A. V., Dullens R. P. A., Philipse A.P. In situ imaging of field-induced hexagonal columns in magnetite ferrofluids // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97. P. 185702. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.185702
  27. Kantorovich S., Ivanov A. O., Rovigatti L., Tavares J.M., Sciortino F. Nonmonotonic magnetic susceptibility of dipolar hard-spheres at low temperature and density// Phys. Rev. Lett. 2013. V. 110, P. 148306. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.148306
  28. Rosensweig R. E. Heating magnetic fluid with alternating magnetic field // J. Magn. Magn. Materials. 2002. V. 252. P. 370–374. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(02)00706-0
  29. Покровский В. Н. Статистическая гидромеханика разбавленных суспензий. М.: Наука, 1978.
  30. Zubarev A. Yu., Iskakova L. Yu. Effect of chainlike aggregates on dynamical properties of magnetic liquids // Phys. Rev. E. 2000. V. 61. P. 5415. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.61.5415
  31. Chirikov D. N., Fedotov S. P., Iskakova L. Yu., Zubarev A. Yu. Viscoelastic properties of ferrofluids // Phys. Rev. E. 2010. V. 82. P. 051405. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.82.051405

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Скриншоты гетерогенных структур, образованных частицами во внешнем поле. Характеристики системы: параметр диполь-дипольного взаимодействия между магнитными частиц λ = 7; их объемная концентрация φ = 0.5% (a, б), φ = 6% (в, г); магнитный момент частицы m = 1.1∙10–18 А∙м2; температура T = 298 К. (а, в) – напряженность магнитного поля H = 0.1 кА/м (параметр Ланжевена κ = 0.0336); (б, г) – H = 1 кА/м (κ = 0.336).

Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимости средней намагниченности одной частицы (a) и натурального логарифма относительной намагниченности (б) системы частиц от времени t. Вертикальные отрезки показывают стандартное отклонение от среднего. Характеристики системы: вязкость несущей среды η = 0.13 Пa·сек; намагниченность насыщения материала частиц Ms = 5·105 A/м (магнетит); объемная концентрация частиц φ = 0.5%; температура T = 298 K; диаметр частиц d = 16 нм; параметр диполь-дипольного взаимодействия λ = 7; параметр Ланжевена κ возрастает от 0.0336 до 0.336. Сплошная линия на рис. (б) – линейная регрессия (16).

Скачать (127KB)
Метаданные
4. Рис. 3. То же, что на рис. 2 при λ = 5. Диаметр частиц d = 14.4 нм; параметр Ланжевена κ возрастает от 0.024 до 0.24.

Скачать (123KB)
Метаданные
5. Рис. 4. То же, что на рис. 3 при уменьшении безразмерного магнитного поля κ от 0.24 до 0.024, что для выбранных параметров системы соответствует уменьшению напряжённости магнитного поля H от 1 кА/м до 0.1 кА/м.

Скачать (126KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Намагниченность феррожидкости в зависимости от времени при λ = 0. Диаметр магнетитовых частиц d = 16 нм. Остальные параметры такие же, как на рис. 2. Сплошные линии – теоретические результаты, полученные с использованием (14). (а) – параметр Ланжевена κ возрастает от 0.0336 до 0.336 (магнитное поле H скачкообразно возрастает от 0.1 кА/м до 1 кА/м); (б) – κ убывает от 0.336 до 0.0336 (H ступенчато уменьшается от 1 кА/м до 0.1 кА/м).

Скачать (122KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость времени релаксации τR от объемной концентрации магнетитовых частиц. Магнитное поле H увеличивается с 0.1 кА/м до 1 кА/м; температура T = 298 K. (a) – параметр диполь-дипольного взаимодействия λ = 5; параметр Ланжевена κ возрастает от 0.024 до 0.24; диаметр частиц d = 14.4 нм; (б) – λ = 6; κ возрастает от 0.0288 до 0.288; d = 15.3 нм.

Скачать (135KB)
Метаданные
8. Приложение
Скачать (35KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024