Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Самосборка двумерных коллоидных систем при наличии регулируемых взаимодействий, индуцированных при помощи внешних электрических [1, 2] или магнитных [3, 4] полей, является активно развивающейся областью физики мягкой материи. В таких системах достаточно хорошо изучено явление самосборки, однако роль управляемого конфайнмента в этом процессе изучена плохо. В настоящей работе изучается самосборка коллоидных частиц во внешнем магнитном поле в условиях сильного вертикального конфайнмента путем систематического компьютерного моделирования методом молекулярной динамики.
Компьютерное моделирование коллоидной системы выполнялось при помощи пакета для классической молекулярной динамики LAMMPS. Модель, рассматриваемая в данной работе, состоит из 100 коллоидных частиц, расположенных на двух уровнях по оси Z на расстоянии rz между уровнями, частицы находятся в ограниченной области, двигаются в рамках броуновской динамики и не могут перемещаться по оси Z, но находятся в периодических граничных условиях в горизонтальной плоскости. На рис. 1 схематично изображена исследуемая система: система коллоидных частиц зажата между двумя подложками, причем расстояние между подложками менее двух диаметров частиц. Внешнее магнитное поле индуцирует межчастичные взаимодействия, которые приводят к тому, что частицы стремятся выстроиться в вертикальные структуры, но подложки этому препятствуют. В начале моделирования частицы располагались в узлах квадратной кристаллической решетки. Для учета внешнего магнитного поля всем частицам присваивался постоянный дипольный момент p, направленный вдоль оси Z, который не изменял свое направление при движении частицы. Контактное взаимодействие между частицами описывается при помощи потенциалом Викса-Чендлера-Андерсона (WCA5): где — характерная магнитуда взаимодействия, — характерный диаметр частиц.
Энергия Ерр и сила Fрр диполь-дипольного взаимодействия определялись в соответствии с выражениями:где — дипольные моменты i-й и j-й частицы соответственно; — расстояние между ними.
Расчеты выполнялись в безразмерных единицах: . Система моделируется в течение 106 шагов с шагом по времени 10–6 при постоянной плотности , информация о состоянии системы выводится каждые 500 шагов.
Снимки структур, полученных в ходе моделирования для разных параметров системы, представлены на рис. 2. На рис. 2, а видно, что при расстоянии между плоскостями rz = 0,6 и низкой температуре частицы выстраиваются в ярко выраженную нитевидную структуру. На рис. 2, б можно заметить, что при увеличении температуры структура становится менее выраженной, а при T = 5 распадается, что соответствует ее плавлению. На рис. 2, г видно, что при увеличении расстояния конфайнмента rz до 0,9 частицы сбиваются по парам и в таком состоянии колеблются вокруг положений равновесия.
В результате моделирования были получены и проанализированы снимки сформировавшихся структур частиц, изучено влияние параметров конфайнмента и индуцированного взаимодействия на получающиеся структуры, построена фазовая диаграмма исследуемой системы.
