Учёные из Университета Райса предложили простой способ устранения нежелательного направленного смещения, которое возникает при сборке магнитных частиц с помощью вращающихся магнитных полей. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Research, показывает, что решение может быть неожиданно простым: достаточно повернуть магнитное поле чуть больше чем на полный оборот, прежде чем менять его направление. Работу возглавил Танака Тацуя, приглашённый научный сотрудник Университета Райса из японской корпорации Kao.
Создание идеального кристалла на первый взгляд кажется простой задачей: нужно расположить одинаковые строительные блоки в повторяющуюся упорядоченную структуру. Однако на микроскопическом уровне даже незначительные смещения во взаимодействии частиц могут подталкивать их в определённые направления, что затрудняет формирование однородных кристаллических материалов. Вращающиеся магнитные поля помогают управлять магнитными частицами и выстраивать их в организованные структуры, но стандартный метод с поворотом поля на 360 градусов не обеспечивает равного воздействия по всем направлениям.
Причина кроется в небольшой задержке, известной как магнитная релаксация, между изменением приложенного поля и магнитным откликом частицы. Из-за этого запаздывания некоторые ориентации фактически оказываются задействованными чаще других, что создаёт предпочтительную ось выравнивания частиц. «Когда мы вращаем магнитное поле, магнитный отклик частицы всегда немного отстаёт, — поясняет Сибани Лиза Бисвал, заведующая кафедрой химической и биомолекулярной инженерии и профессор химической инженерии Университета Райса, один из авторов работы. — Эта крошечная задержка, как выясняется, имеет значение. Она может создавать предпочтительное направление для сборки, даже когда приложенное поле кажется идеально симметричным».
Исследователи установили, что поворот поля чуть больше чем на 360 градусов перед сменой направления компенсирует этот дисбаланс. При точно рассчитанном угле поворота направленное предпочтение исчезает, и две частицы испытывают одинаковое среднее взаимодействие независимо от своей ориентации. Иными словами, дополнительная доля оборота восстанавливает изотропные взаимодействия — одинаковые во всех направлениях. Команда также вывела общее соотношение для определения необходимого дополнительного вращения: требуемый угол зависит от времени релаксации частицы и скорости вращения магнитного поля.
Численное моделирование подтвердило, что эта зависимость сохраняет эффективность даже с учётом взаимодействий между частицами и их собственного физического вращения. «Этот результат облегчает проектирование экспериментов с взаимодействующими частицами, — говорит Альдо Спатафора-Салазар, научный сотрудник лаборатории Бисвал и один из авторов исследования. — Рассчитайте дополнительное вращение, используя время задержки частицы и скорость вращения поля. Затем этот угол можно зафиксировать как экспериментальный параметр для достижения изотропных взаимодействий». По словам Бисвал, для формирования высокоупорядоченных кристаллов сначала необходимо понять и устранить непреднамеренные смещения во взаимодействии частиц, и данная работа даёт количественный рецепт для этого.
Полученные результаты открывают новый способ точной настройки сил, управляющих магнитной самосборкой, и могут помочь исследователям создавать более однородные кристаллические структуры из микроскопических частиц. Работа частично поддержана корпорацией Kao для исследований, проводимых в Университете Райса, а также программой DMREF Национального научного фонда США. Источник: Университет Райса.