Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Исследования материй с управляемым межчастичным взаимодействием открывает большие возможности в изучении фундаментальных явлений [1] и в создании новых функциональных материалов [2]. Характерные пространственные и временные масштабы коллоидных частиц позволяют проводить экспериментальные исследования в режиме реального времени [3], что является важным преимуществом по сравнению с классической конденсированной материей. Одним из методов индуцирования взаимодействия между частицами является использование внешних полей: электрических [4], магнитных [5], гравитационных [6] и т. д.
Метод управления самосборкой с использование внешних вращающихся конических магнитных полей обладает существенными преимуществами. Среди них возможность организации трехмерных полей при помощи нескольких катушек, а также использование частицы различных материалов с магнитными свойствами. Таким образом, магнитные поля обеспечивают самосборку разнообразных трехмерных структур. Однако, на данный момент структуры, образующиеся при различных углах прецессии вектора магнитной индукции не изучались достаточно подробно. В данной работе рассматривались процессы самосборки, происходящие при предельных значениях угла прецессии магнитной индукции: 90° (горизонтальное магнитное поле) и 0° (вертикальное магнитное поле).
Для управления взаимодействием между частицами в коллоидной системе используется генерируемое в экспериментальной установке внешнее магнитное поле. Установка включает в себя четыре горизонтальные и две вертикальные катушки (рис. 1). С помощью тока, подаваемого на катушки, осуществляется управление вектором магнитной индукции магнитного поля, а как следствие и изменение эффективной температуры в коллоидной суспензии. Так как вертикальные и горизонтальные катушки управляются независимо друг от друга, то путем задания соотношения силы тока на соответствующих катушках можно обеспечивать нужный угол прецессии. Управление током осуществлялось при помощи разработанного программного обеспечения. Напряженность магнитного поля в центре установки составляла порядка 100 Э, при этом поле оставалось однородным в квадратной области с длиной стороны 2,5 мм.
Механизм индуцирования взаимодействия между суперпарамагнитными частицами в магнитном поле следующий: при наложении внешнего магнитного поля у частиц возникает магнитный дипольный момент вдоль направления магнитного поля. Если угол между вектором внешнего магнитного поля и линией, соединяющей центры двух частиц меньше магического угла (54,7°), то между частицами возникает дальнодействующее притягивание, а если угол больше магического, то отталкивание.
Для эксперимента использовались объемно наполненные оксидом железа суперпарамагнитные частицы диоксида кремния и полистирола, размерами 2,47 и 1,31 мкм соответственно, диспергированные в деионизированной воде (удельное сопротивление 18,2 МОм·см). Количество магнетита в частицах достигало 25...30 % в массовых долях. Полученная суспензия помещалась в кювету между двух покровных стекол с гидрофобным покрытием, разделенных прослойкой.
Серия экспериментов включала в себя последовательное изменение силы тока на соответствующих катушках, а как следствие изменение эффективной температуры в системе частиц, и регистрацию данных о структуре коллоидных суспензий в формате видеозаписи. Частота вращения магнитного поля на горизонтальных катушках составляла 20 Гц.
Для исследования фазовой диаграммы коллоидной самосборки при угле прецессии 90° (рис. 2, b) было проведено 3 серии экспериментов. Каждая серия состояла из 19 значений силы тока на горизонтальных катушках. В качестве образца использовались вышеописанные частицы диоксида кремния. После этого полученные видео подвергались компьютерной обработке [7], в результате которой была построена фазовая диаграмма (рис. 2, а), а также определялись положения критической и тройной точки.
Для исследования коллоидной самосборки при угле прецессии 0° была проведена серия экспериментов, состоящая из 9 значений силы тока на вертикальных катушках. В результате вместо ожидаемого отталкивания между частицами наблюдалось образование змеевидных структур (рис. 3, а). В качестве образца использовались вышеописанные частицы полистирола. После этого полученные видео подвергались компьютерной обработке, в результате которой определялись группы частиц, принадлежащие «змейкам», отмеченными разными цветами на рис. 3, b.
В результате работы были рассмотрены процессы самосборки при предельных значениях угла прецессии. Для угла прецессии 90° была построена фазовая диаграмма и определены положения критической и тройной точки. Для угла прецессии 0° была проведена серия экспериментов, в результате которой были получены змеевидные структуры. Такие эксперименты были обработаны, и в них были выделены группы частиц, принадлежащих тем или иным «змейкам».
