Ученые исследовали взаимодействие микрочастиц во вращающихся электрических полях



(none)

Физики из МГТУ имени Н. Э. Баумана изучили взаимодействие между сферическими микрочастицами во вращающихся магнитных и электрических полях. Оказалось, что при определенных параметрах вращения поля, описывающие кривую на поверхности конуса, цилиндра или эллипсоида, приводят к одинаковым взаимодействиям частиц в горизонтальной плоскости. Исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда (РНФ), поможет создать технологии синтеза новых материалов с заданными свойствами на основе явления управляемой самоорганизации в мягкой материи. Работа опубликована в журнале Soft Matter.

Если к плавающим в жидкости частицам приложить внешнее электрическое или магнитное поле, они могут поляризоваться: приобретают дипольный момент и взаимодействуют между собой. Однако если внешнее поле будет быстро вращаться в пространстве, намного быстрее, чем частицы движутся в растворе, то возникнет усредненное управляемое взаимодействие. В таком случае можно добиться сближения частиц друг с другом, или наоборот, их отдаления. Так, вращающиеся магнитные и электрические поля можно использовать, например, для самосборки новых материалов в растворах.

«В нашей работе коллоидные микрочастицы играют роль псевдоатомов, из которых можно создавать новые материалы, — поясняет руководитель проекта по гранту РНФ Станислав Юрченко, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана. — Во-первых, при помощи вращающихся полей можно управлять самосборкой в мягкой материи в режиме реального времени. Вы можете увидеть, что происходит в системе, ослабить или усилить регулируемые взаимодействия. Во-вторых, можете существенно ускорить различные процессы. И в-третьих, вы можете собрать структуры, которые вообще не должны были бы существовать при этих условиях в отсутствие поля».

В своей работе ученые из МГТУ имени Н. Э. Баумана (Москва) рассчитали на компьютере, как будут себя вести сферические микрочастицы в по-разному вращающихся электрических и магнитных полях. Для расчета они использовали коллоидные частицы диоксида кремния в электрическом поле и частицы из оксида железа в магнитном поле. Сферические микрочастицы из этих материалов обычно используются в экспериментах с электрическими или магнитными полями. При этом поля могут по-разному вращаться, описывая в пространстве кривые, или годографы, лежащие на определенных геометрических поверхностях: в плоскости, на конусе, цилиндре и эллипсоиде. Исследователи нашли самосогласованные распределения каждого из полей и определили, как они будут влиять на взаимодействия между частицами.

Оказалось, что в случаях конуса, цилиндра и эллипсоида взаимодействия можно привести друг к другу. Более того, можно даже создать особые «магические» годографы полей, когда частицы взаимодействуют с соседями одинаково во всех направлениях. Для конусообразного поля нужно, чтобы угол от оси до края был равен 54,7°, а для цилиндрического и эллиптического — чтобы было определенное соотношение между осями фигуры. При этом характеристики пространственных годографов можно изменять, чтобы частицы либо притягивались друг к другу, либо отталкивались и отдалялись друг от друга по-разному в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Для каждого конкретного случая есть возможность подобрать нужный тип взаимодействия в горизонтальном монослое коллоидных частиц: притяжение, отталкивание, барьерное взаимодействие — притяжение вблизи и отталкивание вдали, — или даже двухмасштабное отталкивание, когда одна частица отталкивает от себя только на определенном расстоянии.

«Для нас самих оказалось неожиданным, что такие сложные и разные конфигурации внешних полей напрямую взаимосвязаны между собой. Мы можем «конструировать» взаимодействия между частицами при помощи сложных пространственно-вращающихся полей, — рассказывает Станислав Юрченко. — Магические параметры, найденные нами, открывают возможность изучать управляемую самосборку и самоорганизацию в трехмерных материалах, а не только в монослое. Хотя эта работа — теоретическая, она очень важна для нашей экспериментальной программы и изучения области в целом. У нас уже идут исследования на установке для экспериментов, где взаимодействия между частицами регулируются вращающимися электрическими полями, и уже работаем с вращающимися магнитными полями. В дальнейшем мы планируем развивать направление с манипуляцией коллоидными частицами под действием света».