Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Двумерные коллоидные системы с управляемыми взаимодействиями, индуцированными внешними магнитными или электрическими полями, представляют особый интерес для современной физики мягкой материи [1–3]. Коллоидные частицы в таких системах, как правило, формируют монослой на подложке под действием сил тяжести [4, 5]. Однако если внешнее управляющее электрическое или магнитное поле, имеет ненулевую компоненту, ортогональной к подложке, то возникающие индуцированные межчастичные взаимодействия [6] может приводить к формированию вертикальных коллоидных структур. На данный момент сценарии и особенности формирования таких структур слабо изучены, поскольку основное внимание исследователей было сосредоточено на планарных квазидвумерных системах. В настоящей работе проводится систематическое изучение формирования вертикальных струн коллоидных частиц, находящихся во внешнем вертикальном магнитном поле, экспериментально и с помощью методов компьютерного моделирования.
Эксперимент проводился в коллоидной суспензии с использованием частиц диоксида кремния диаметром 2,47 мкм в деионизированной воде. Магнитное поле создавалось посредством двух вертикальных катушек. Суспензию помещалина подложку, под воздействием внешнего магнитного поля образовывались вертикальные струны, далее магнитное поле выключали и система распадалась. На протяжении эксперимента проводили трекинг частиц, позволяющий идентифицировать количество частиц, из которых состоит каждая струна.
При моделировании динамика каждой частицы описывается при помощи передемпфированного уравнения Ланжевена:
где T — температура; — случайная компонента; r — радиус вектор частицы; — коэффициент демпфирования.
Парные отталкивания описывали с помощью потенциала Викса — Чендлера — Андерсона, имитирующего жесткие контактные взаимодействия частиц:
где — эффективный диаметр частиц.
Энергия индуцированных межчастичных взаимодействий описывалась в рамках диполь-дипольной модели:
где p — дипольный момент частицы, ориентированный ортогонально к подложке.
Кроме того, учитывалось влияния сил тяжести на частицы и сил взаимодействия частиц с подложкой, которые были аппроксимированы при помощи потенциала Викса — Чендлера — Андерсона. Общее число частиц в моделировании =500, шаг по времени , радиус отсечки , количество шагов в моделировании . Все величины были нормированы на диаметр, время диффузии и массу частицы.
На рис. 1 показан трекинг частиц в ходе эксперимента. Опираясь на трекинг частиц, можно получить гистограмму распределения высот струн и аппроксимировать ее распределением Больцмана (рис. 2). Аналогичные результаты были получены и для МД-моделирования (рис. 3): наблюдается детальное сходство результатов. Кроме того, спомощью МД-моделирования удалось подтвердить механизм образования струнок, обнаруженный ранее экспериментально. Установлено, что формирование струн происходит «снизу»: при приближении новой частицы к струне происходит подъем струны над подложкой за счет сил индуцированных взаимодействий, после чего новая частица «подползает» под струну.
Таким образом, изучено формирование вертикальных структур в коллоидных суспензиях во внешних магнитных полях, проанализирована статистика их размеров в зависимости от параметров эксперимента, проведено численное моделирование, рзультаты которого хорошо согласуются с экспериментальными данными, и установлен механизм их формирования.
