Энергетические свойства коллоидов в прядильном магнитном поле

Если карусель вращается очень быстро, гонщики будут сброшены во всех направлениях. Однако в лаборатории университета Райса вращающиеся частицы делаются как раз наоборот.

Выпускник университета Райс Элаа Хилу создал эксперимент по изучению влияния вращающихся магнитных полей на коллоид магнитных частиц размером в микроны. Видео показывают, как частицы организуются в разных полях. (Image credit: Jeff Fitlow)

Эксперименты в лаборатории Райса химического инженера Сибани Лизы Бисвал показывают микроскопические сферы, сходящиеся под воздействием быстро вращающегося магнитного поля. Это не ново, поскольку сами частицы намагничены.

Но как они объединяются, важно: частицы сначала собираются в дезорганизованный агрегатный кластер, а затем в кристально-подобный режим, когда магнитное поле приобретает больше силы.

Результаты исследования под руководством Бисвала и аспиранта Элаи Хилоу были опубликованы в Physical Review Materials. Исследователи полагают, что это вдохновит на изучение, моделирование и создание новых 2D-материалов, таких как коллоиды или перестраиваемые катализаторы, которые могут по желанию изменять площадь поверхности.

Экспериментирует экспонированные формы, границы, фазовые переходы и создание и разрешение кристаллоподобных дефектов в диапазоне от 300 до 1500 намагниченных сфер после их энергетических импульсов под воздействием движущегося поля.

«Я представляю это как миниатюрный вариант прядильника, где мы используем магнитное поле для создания изотропного взаимодействия вокруг частиц», Бисвал сказал. «Мы можем создавать ансамбли частиц, которые не могут быть сильно плотно упакованы силой этого взаимодействия».

Это очаровывало Бисваль и Хилу, но не так сильно, как то, что они наблюдали, происходящее вблизи краев, где натяжение линии, образованное самыми удаленными частицами, определяло конечную форму массивов.

Подумайте о мыльном пузыре. Он всегда образует сферу, даже когда вы пытаетесь ее деформировать. Это потому, что поверхностное натяжение хочет минимизировать площадь поверхности. Это то же самое для нашей системы, но в двух измерениях. Взаимодействия всегда пытаются свести к минимуму то, что мы называем натяжением линии.

Элаа находит интерфейс Гиббса и измеряет энергию на этом интерфейсе, где он идет от большого количества частиц (при низких силах магнитного поля) до почти одной частицы толщиной, изменяя силу взаимодействия. Она провела много анализа натяжения линии и того, как она относится к энергетике системы.

Сибани Лиза Бисвал

Следующим шагом является разработка физических, подвижных моделей для реальных систем, чтобы наблюдать, как составляющие реагируют при нарушении.

. Существует большая заинтересованность в создании моделей для атомных и молекулярных систем. . Большинство из них было выполнено с помощью вычислительных симуляций, но здесь мы имеем экспериментальную систему, которая может реализовать структуру и процессы, такие как коалесценция.

Сибани Лиза Бисвал

Например, при катализе, если вы хотите увеличить площадь поверхности, вам нужно больше пустот для облегчения контакта между катализатором и реакцией. Увеличивая концентрацию и управляя полем, мы можем начать видеть пустоты и управлять интерфейсом относительно объема.

Элаа Хилоу

Метод мог моделировать эмульсии, сказала она. «Скажите, что у вас есть масло и вода, и вы хотите их разделить», – сказал Хилу. «В случае косметики и пищевой промышленности вы хотите, чтобы эмульсии были стабильными. Мы хотим уметь имитировать их динамику, контролируя размер частиц и напряженность поля ».

Бисвал заявил, что этот метод может также использоваться для моделирования систем, в которых температура, а не электромагнетизм, является драйвером. В таких областях, как металлургия, дефекты устраняются «путем повышения температуры, чтобы дать молекулам больше свободы для перемещения границ зерен и пустот», – сказала она. «Затем они уменьшают температуру, чтобы зафиксировать структуры».

«У нас есть циферблат, который не только имитирует влияние температуры с помощью магнитного поля, но также дает возможность наблюдать через микроскоп, что происходит в реальной системе», Бисвал сказал

Выпускник выпускника Райс Ди Ду, в настоящее время являющийся статистическим аналитиком исследования в Университете Техаса, MD Anderson Cancer Center, и аспирант Стив Куэй являются соавторами статьи. Национальный научный фонд поддержал исследование.

Частицы, вращающиеся в вращающемся магнитном поле 8 гаусс, мера магнитной силы, остаются слабо связанными, имитируя капли, рассеивающиеся в газ по краям. Предоставлено лабораторией Бисвала.

Source link