Магнитоупругая нить

Магнитоупругие нити представляют собой одномерные композитные структуры, которые проявляют как магнитные, так и упругие свойства. Интерес к этим материалам, как правило, сосредоточен на способности точно контролировать механические события с помощью внешнего магнитного поля. Как и пьезоэлектрические материалы, они могут использоваться в качестве приводов, но не нуждаются в физическом подключении к источнику питания. Конформации, принимаемые магнитоупругими нитями, диктуются конкуренцией между их упругими и магнитными свойствами.

Механическое поведение

Магнитные наноцепи

Изображение, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа, четко определенной магнитной наноцепочки, состоящей из шести магнитных наночастиц. [1]

Магнитные наноцепи представляют собой новый класс магниточувствительных и суперпарамагнитных наноструктур с высокоанизотропными формами, которыми можно манипулировать с помощью магнитного поля и градиента магнитного поля. [2] [3] Такие наноцепи состоят из самоорганизующихся кластеров наночастиц , которые магнитно собираются и фиксируются в цепь. Среди различных используемых методов связывания — покрытие из кремния, покрытие из полиакриловой кислоты (PAA), конденсация тетраэтоксисилана , биотинилирование или разложение глюкозы. Обычно первичными строительными блоками этих наноструктур являются отдельные суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPION). Кластеры наночастиц, которые состоят из ряда отдельных магнитных наночастиц (около 100 SPION), известны как магнитные нанобусины диаметром 50–200 нанометров. [4]

Сила, действующая на частицу, зависит от силы, направления и динамики приложенного магнитного поля, а также от положения и ориентации локальных магнитных диполей. Динамические магнитные поля обеспечивают наибольший диапазон контроля над формой цепи. Основной интерес представляет сила, действующая на концы цепи в результате динамического поля. Эффект прецессии Лармора с рядом магнитных коллоидов приводит к динамическим взаимодействиям, зависящим от угла прецессии поля. Фактически, прохождение через магический угол меняет знак диполь-дипольного взаимодействия. В поле, быстро прецессирующем вокруг оси z, сила, действующая на конец цепи, определяется выражением [5]

Ф е н г   =   3 μ 2 σ 4 грех ⁡ ( 2 ( ω − г ψ г т ) т ) Н − γ г ψ г т Н {\displaystyle F_{end}\ {=}\ {\frac {3\mu ^{2}}{\sigma ^{4}}}\sin(2(\omega - {\frac {d\psi } dt}})t)\mathbf {N} -\gamma {\frac {d\psi }{dt}}\mathbf {N} }

где — дипольный момент, — диаметр шарика, — угловая частота прецессии поля, — скорость изменения траектории нити, — коэффициент вязкого сопротивления, — единичный вектор плоскости, перпендикулярной касательной к кривой нити. Это создает периодическую магнитную силу. Однако при быстрой прецессии второй член остается ненулевым и масштабируется с . При низком значении доминирует магнитный момент, и цепь наматывается вокруг себя. При высоком значении модуль изгиба доминирует в энергетическом ландшафте, и нити образуют разветвленные гели с зависящим от поля объемным модулем. μ {\displaystyle \мю} σ {\displaystyle \сигма} ω {\displaystyle \омега} г ψ г т {\displaystyle {\frac {d\psi {dt}}} γ {\displaystyle \гамма} Н {\displaystyle \mathbf {N} } ω − 1 {\displaystyle \омега ^{-1}} ω {\displaystyle \омега} ω {\displaystyle \омега}

Приложенная нагрузка на нить обычно ограничивается методом полимерного связывания. Режим упругой деформации для простой ковалентно связанной нити короткий и считается нерастяжимой в большинстве условий. Если растягивающие силы становятся слишком большими, может возникнуть пластическая деформация, обычно приводящая к разрыву связей и распутыванию полимера. Эти необратимые изменения могут привести к постоянному изменению модуля изгиба, что в конечном итоге влияет на производительность нити. [6]

Сплавные наностолбики

Используя методы травления, такие как фрезерование сфокусированным ионным пучком , в магнитных материалах можно формировать микро- или наноразмерные столбы. Однако многократное изгибание кристаллических столбов может привести к образованию дефектов и усталостному повреждению. Это повреждение происходит из-за зарождения трещин на поверхности столбов, даже в упругом режиме, из-за локализованной пластичности. Распространение трещин во время последовательных циклов сжатия и растяжения может привести к разрушению столба. Это похоже на то, что можно увидеть в консольной магнитометрии при работе в сильных полях. Из-за этого желательно связывать более мелкие магнитные частицы вместе с более жесткими, эластичными материалами, такими как полимер, а не использовать непрерывную нить из сплава. [7]

Приложения

Изготовление магнитных наноцепей с контролируемым соотношением сторон, однородным размером и четко определенной формой находится в центре внимания многих ведущих мировых исследовательских групп и высокотехнологичных компаний. [8] Магнитные наноцепи обладают привлекательными свойствами, которые представляют собой значительную добавленную стоимость для многих потенциальных применений, включая наномедицину , связанную с магнитомеханическим приводом в переменном магнитном поле низкой и сверхнизкой частоты. [9] Такие структуры используются в различных приложениях, таких как визуализация и доставка лекарств. [10] Другие приложения показаны ниже:

  • Механические датчики для тестирования модулей упругости биомолекул и наноструктур. [11]
  • Микроактивация [12]
  • МРТ-визуализация
  • Доставка лекарств
  • Отзывчивые покрытия

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Краль, Славко; Маковец, Дарко (27 октября 2015 г.). «Магнитная сборка суперпарамагнитных кластеров наночастиц оксида железа в наноцепочки и нанопучки». ACS Nano . 9 (10): 9700– 9707. doi :10.1021/acsnano.5b02328. PMID  26394039.
  2. ^ Магнитные наноматериалы, Редакторы: SH Bossmann, H Wang, Королевское химическое общество, Кембридж, 2017, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78801-037-5
  3. ^ Краль, Славко; Маковец, Дарко (27 октября 2015 г.). «Магнитная сборка суперпарамагнитных кластеров наночастиц оксида железа в наноцепочки и нанопучки». ACS Nano . 9 (10): 9700– 9707. doi :10.1021/acsnano.5b02328. PMID  26394039.
  4. ^ Tadic, Marin; Kralj, Slavko; Jagodic, Marko; Hanzel, Darko; Makovec, Darko (декабрь 2014 г.). «Магнитные свойства новых суперпарамагнитных нанокластеров оксида железа и их особенности при отжиге». Applied Surface Science . 322 : 255– 264. Bibcode :2014ApSS..322..255T. doi :10.1016/j.apsusc.2014.09.181.
  5. ^ Демпстер, Джошуа М.; Васкес-Монтехо, Пабло; де ла Круз, Моника Олвера (12 мая 2017 г.). «Сократительное приведение в действие и динамическая гелевая сборка парамагнитных нитей в быстропрецессирующих полях». Physical Review E. 95 ( 5): 052606. arXiv : 1711.06233 . Bibcode : 2017PhRvE..95e2606D. doi : 10.1103/PhysRevE.95.052606. PMID  28618507.
  6. ^ Щербаков, Валера П.; Винкльхофер, Михаэль (27 декабря 2004 г.). «Изгиб магнитных нитей под действием магнитного поля». Physical Review E. 70 ( 6): 061803. Bibcode : 2004PhRvE..70f1803S. doi : 10.1103/PhysRevE.70.061803. PMID  15697393.
  7. ^ Mirkovic, Tihana; Foo, Maw Lin; Arsenault, André C.; Fournier-Bidoz, Sébastien; Zacharia, Nicole S.; Ozin, Geoffrey A. (12 августа 2007 г.). «Шарнирные наностержни, изготовленные с использованием химического подхода к гибким наноструктурам». Nature Nanotechnology . 2 (9): 565– 569. Bibcode : 2007NatNa...2..565M. doi : 10.1038/nnano.2007.250. PMID  18654369.
  8. ^ "Нанос SCI". nanos-sci.com .
  9. ^ Головин, Юрий И.; Грибановский, Сергей Л.; Головин, Дмитрий Ю.; Клячко, Наталья Л.; Маджуга, Александр Г.; Мастер, Алисса М.; Сокольская, Марина; Кабанов, Александр В. (декабрь 2015 г.). "Towards nanomedicines of the future: Remote magnetico-mechanical actuation of nanomedicines by alternating magnetic fields". Journal of Controlled Release . 219 : 43– 60. doi :10.1016/j.jconrel.2015.09.038. PMC 4841691. PMID  26407671 . 
  10. ^ Сан, Конрой; Ли, Джерри Ш. Х.; Чжан, Мицинь (17 августа 2008 г.). «Магнитные наночастицы в МРТ-визуализации и доставке лекарств». Adv Drug Deliv Rev. 60 ( 11): 1252– 1265. doi :10.1016/j.addr.2008.03.018. PMC 2702670. PMID  18558452 . 
  11. ^ Cebers, Andrejs; Erglis, Kaspars (25 февраля 2016 г.). «Гибкие магнитные нити и их применение». Adv Funct Mater . 26 (22): 3783– 3795. doi :10.1002/adfm.201502696.
  12. ^ Vach, Peter J.; Faivre, Damien (20 марта 2015 г.). «Триатлон магнитного приведения в действие: вращение, движение вперед, плавание с одним магнитным материалом». Nature . 5 : 9364. Bibcode :2015NatSR...5E9364V. doi :10.1038/srep09364. PMC 4366818 . PMID  25791721. 
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Магнитоупругая_нить&oldid=1252643896#Магнитные_наноцепи"