Формулы движения. Магнитное поле помогает управлять жидкостями

Мы уже привыкли к тому, что все вокруг становится интеллектуальным. Это касается не только искусственного интеллекта, умных приборов, домов, компьютерных программ. Даже материалы становятся умными. Заведующий кафедрой теоретической и математической физики, доктор физико-математических наук Артур ЗАКИНЯН (на снимке) из Северо-Кавказского федерального университета изучает умные жидкости, свойствами которых можно управлять с помощью внешнего магнитного поля. Такое свойство создает огромные возможности для их применения в самых разных областях. Исследования молодого доктора наук в этой области были поддержаны грантом Президента РФ.

— В последние годы различные научные группы в России и за рубежом активно работают над созданием нового класса так называемых умных материалов, — рассказывает Артур. — Это жидкости, которые при воздействии внешнего магнитного поля могут резко изменять свои физические свойства. Как правило, такая среда представляет собой многокомпонентный композит, содержащий магнитные микро- или наночастицы. Частицы могут состоять из железа, оксидов железа или иметь более сложный химический состав. Главное, чтобы они могли активно реагировать на магнитное поле.

Средой, в которой эти частицы находятся, могут быть самые разные жидкости, а также полимеры и жидкие кристаллы. Воздействие магнитного поля приводит к тому, что частицы объединяются в структуры, которые можно регулировать, меняя конфигурацию внешнего поля. В результате происходит изменение макроскопических свойств таких материалов. Это позволяет целенаправленно управлять самыми разными их свойствами (электрическими, оптическими, тепловыми). Традиционные материалы подобной изменчивостью не обладают.

Все это открывает широкие перспективы. Например, такие материалы используются в регулируемых амортизаторах для автотранспорта и других устройствах поглощения колебаний, в которых магнитным полем можно изменять упругие свойства и вязкость вещества. Соответствующая технология начинает применяться в медицине для адресной доставки лекарственных препаратов в организме пациента. Есть и другие разнообразные применения таких сред в системах адаптивного теплообмена, датчиках оптических фильтров, сепараторах, герметизаторах и так далее.

Но многого про умные материалы мы пока не знаем. Нужны новые жидкости, реагирующие на магнитное поле и демонстрирующие экстраординарные свойства. Это откроет новые возможности для создания интеллектуальных жидкостных систем, которые будут востребованы в самых разных сферах. Потенциал в этой области огромен.

Задача нашей группы заключается в исследовании закономерностей образования микроструктур в композиционных жидкостях в зависимости от того, как именно воздействует на них магнитное поле. В жидкость-носитель с магнитными наночастицами мы помещаем немагнитные микрочастицы различных материалов. Первые оказывают упорядочивающее действие на вторые, и благодаря этому немагнитными частицами можно также управлять с помощью поля.

— Это новое направление или подобные работы проводились и раньше?
— По отдельности магнитные и гидродинамические взаимодействия частиц в дисперсных системах изучаются давно как в нашей стране, так и за рубежом. Причем занимаются такими темами многие научные группы. Наши исследования особенны тем, что мы изучаем межчастичные взаимодействия в комплексе, когда одновременно проявляются различные типы взаимодействий. Это важно для понимания поведения именно активных сред, динамически реагирующих на внешние воздействия.

В частности, мы исследовали воздействие на систему постоянных вращающихся конических магнитных полей. Существенное различие в электрических параметрах дисперсной фазы и дисперсионной среды таких материалов — причина интересных закономерностей их электрических свойств, проявляющихся в процессе структурообразования. Мы измеряли низкочастотные и высокочастотные пределы диэлектрической проницаемости и электрической проводимости дисперсных сред. И обнаружили, что при воздействии магнитного поля величина электрической проводимости синтезированной эмульсии может возрастать в несколько раз, а величина диэлектрической проницаемости при этом увеличивается более чем на порядок, что представляет несомненную научную и прикладную значимость.

Не менее интересными были исследования переноса и накопления на межфазных границах электрического заряда. Мы установили, что на эти явления влияют процессы образования структуры из микрочастиц, чего раньше никто с дисперсными системами не добивался. Также впервые изучили все это на примере синтезированных комплексных магнитных жидкостей и провели подробные исследования реологических и теплофизических свойств подобных материалов. Одним из итогов стало обнаружение интересного явления тепловой перколяции среды, заключающееся в резком скачкообразном возрастании теплопроводности материала. Нам удалось показать, что и это явление регулируется магнитным полем.

В результате проведенных исследований мы создали комплексные магнитные жидкости, представляющие собой магнитодиэлектрические эмульсии. В них образуются цепочечные агрегаты, а также более сложные упорядоченные структуры (кластеры) из капель дисперсной фазы эмульсии в магнитном поле.

Кроме того, мы занимаемся компьютерным моделированием микроструктуры и свойств композитных магнитных жидкостей. Для этого создаем вычислительные алгоритмы и применяем высокопроизводительные вычисления на университетском кластере.

— Ваша нынешняя работа — это часть более крупного проекта или обособленная тема, которой вы планируете заниматься ограниченное время?
— Такие исследования мы ведем относительно давно и планируем продолжить в будущем. В этом смысле проект в рамках гранта Президента РФ охватывает только часть наших научных планов.
Мы стремимся освещать наши результаты в высокорейтинговых международных изданиях. В частности, публиковали статьи в таких журналах, как Journal of Molecular Liquids, Journal of Applied Physics, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Physical Review E. Для публикации в престижных журналах, конечно, необходимы соответствующие качество и уровень проведенных исследований, полученных результатов. Это непростая задача, но мы соответствуем всем требованиям. Нам удается это делать и сейчас, и существенных изменений в публикационной политике журналов в отношении авторов я не заметил.

— Как ваши исследования можно будет применить на практике?
— Новые закономерности, которые мы обнаружили, можно экстраполировать на широкий круг коллективных явлений в коллоидных системах. Такие результаты в первую очередь вносят вклад в решение ряда фундаментальных проблем физики гетерогенных композиционных материалов, физики мягкой материи и конденсированного состояния вещества. Наши исследования открывают новые возможности для активного управления и регулирования микроструктуры дисперсных сред. Особенности процессов коллоидной самосборки в стационарных и переменных полях могут быть учтены в технологиях создания и регулирования свойств функциональных материалов. Видятся перспективы применения новых знаний при создании технологии точного управления и манипулирования жидкостями, ограниченными в малых масштабах, и других технологий миниатюризации процессов, в том числе в медицине — при адресной доставке препаратов.

Фирюза Янчилина

 

Нет комментариев