Магнитоупругие нити - это одномерные композитные структуры, проявляющие 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 исполнительных механизмов, но их не нужно физически подключать к источнику питания. Конформации магнитоупругих нитей продиктованы конкуренцией между их упругими и магнитными свойствами.
Механическое поведение
Магнитные наноцепи
Магнитные наноцепи - это новый класс магнитореактивных и суперпарамагнитных наноструктур с сильно анизотропными формами, которыми можно манипулировать, используя магнитное поле и градиент магнитного поля. [2] [3] Такие наноцепи состоят из самоорганизующихся кластеров наночастиц, которые магнитно собираются и фиксируются в цепочку. Среди различных используемых методов связывания - покрытие из диоксида кремния, покрытие из полиакриловой кислоты (PAA), конденсация тетраэтоксисилана , биотинилирование или разложение глюкозы . Обычно первичными строительными блоками этих наноструктур являются индивидуальные суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPION). Кластеры наночастиц, которые состоят из ряда индивидуальных магнитных наночастиц (около 100 SPION), известны как магнитные наночастицы 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 позволяют максимально контролировать форму цепи. Принципиальный интерес представляет сила, действующая на концы цепи в результате действия динамического поля. Эффект ларморовской прецессии с рядом магнитных коллоидов приводит к динамическим взаимодействиям, зависящим от угла прецессии поля. Фактически, перемещение через магический угол меняет знак диполь-дипольного взаимодействия. В поле, быстро прецессирующем вокруг оси z, сила, действующая на конец цепи, определяется выражением [5]
где это дипольный момент, диаметр борта, - угловая частота прецессии поля, - скорость изменения пути нити накала, - коэффициент вязкого сопротивления, а - единичный вектор плоскости, перпендикулярной касательной к кривой нити. Это создает периодическую магнитную силу. Однако при быстрой прецессии второй член остается ненулевым и масштабируется с. На низком, преобладает магнитный момент, и цепь наматывается вокруг себя. С высоким, модуль изгиба доминирует над энергетическим ландшафтом, и филаменты образуют разветвленные гели с зависящим от поля модулем объемного сжатия.
Прилагаемая нагрузка на нить обычно ограничивается методом связывания полимера. Режим упругой деформации для простой ковалентно связанной нити является коротким и в большинстве случаев считается нерастяжимым. Если растягивающие силы становятся слишком большими, может произойти пластическая деформация, обычно приводящая к разрыву связи и распутыванию полимера. Эти необратимые изменения могут привести к необратимому изменению модуля изгиба, что в конечном итоге влияет на характеристики нити. [6]
Сплав наностолбиков
Используя методы травления, такие как фрезерование сфокусированным ионным пучком , в магнитных материалах можно формировать столбики микро- или наноразмеров. Однако многократное изгибание кристаллических столбов может вызвать образование дефектов и усталостное повреждение. Это повреждение происходит из-за зарождения трещин на поверхности столбов даже в упругом режиме из-за локальной пластичности. Распространение трещин во время последовательных циклов сжатия и растяжения может привести к разрушению колонны. Это похоже на то, что можно увидеть в кантилеверной 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, одинаковым 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 значительную добавленную стоимость для многих потенциальных применений, включая наномедицины, связанные с магнитомеханической активацией, в низкочастотном и сверхнизкочастотном переменном магнитном поле. [9] Такие структуры используются в различных приложениях, таких как визуализация и доставка лекарств. [10] Другие приложения показаны ниже:
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Краль, Славко; Маковец, Дарко (27 октября 2015 г.). "Магнитная сборка суперпарамагнитных кластеров наночастиц оксида железа в наноцепи и наноразучки". САУ Нано . 9 (10): 9700–9707. DOI : 10.1021 / acsnano.5b02328 . PMID 26394039 .
- ^ Магнитные наноматериалы, редакторы: SH Bossmann, H Wang, Королевское химическое общество, Кембридж 2017, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78801-037-5
- ^ Краль, Славко; Маковец, Дарко (27 октября 2015 г.). "Магнитная сборка суперпарамагнитных кластеров наночастиц оксида железа в наноцепи и наноразучки". САУ Нано . 9 (10): 9700–9707. DOI : 10.1021 / acsnano.5b02328 . PMID 26394039 .
- ^ Тадич, Марин; Краль, Славко; Ягодич, Марко; Ганзель, Дарко; Маковец, Дарко (декабрь 2014 г.). «Магнитные свойства новых суперпарамагнитных нанокластеров оксида железа и их особенности при отжиге». Прикладная наука о поверхности . 322 : 255–264. Bibcode : 2014ApSS..322..255T . DOI : 10.1016 / j.apsusc.2014.09.181 .
- ^ Демпстер, Джошуа М .; Васкес-Монтехо, Пабло; де ла Крус, Моника Ольвера (12 мая 2017 г.). «Сократительное срабатывание и динамическая гелевая сборка парамагнитных нитей в быстро прецессирующих полях». Physical Review E . 95 (5): 052606. arXiv : 1711.06233 . Bibcode : 2017PhRvE..95e2606D . DOI : 10.1103 / PhysRevE.95.052606 .
- ^ Щербаков, Валера П .; Винкльхофер, Майкл (27 декабря 2004 г.). «Изгиб магнитных нитей в магнитном поле». Physical Review E . 70 (6): 061803. Bibcode : 2004PhRvE..70f1803S . DOI : 10.1103 / PhysRevE.70.061803 .
- ^ Миркович, Тихана; Фу, Мо Линь; Арсено, Андре С .; Фурнье-Бидо, Себастьен; Захария, Николь С .; Озин, Джеффри А. (12 августа 2007 г.). «Шарнирные наностержни, изготовленные с использованием химического подхода к гибким наноструктурам». Природа Нанотехнологии . 2 (9): 565–569. Bibcode : 2007NatNa ... 2..565M . DOI : 10.1038 / nnano.2007.250 .
- ^ «Нанос ТСИ» . nanos-sci.com .
- ^ Головин, Юрий И .; Грибановский, Сергей Л .; Головин, Дмитрий Ю .; Клячко Наталья Л .; Majouga, Александр Г .; Мастер, Алиса М .; Сокольский, Марина; Кабанов, Александр В. (декабрь 2015). «На пути к наномедицинам будущего: дистанционное магнитомеханическое срабатывание наномедицин с помощью переменных магнитных полей» . Журнал контролируемого выпуска . 219 : 43–60. DOI : 10.1016 / j.jconrel.2015.09.038 . PMC 4841691 . PMID 26407671 .
- ^ Солнце, Конрой; Ли, Джерри SH; Чжан, Мицинь (17 августа 2008 г.). «Магнитные наночастицы в МРТ и доставке лекарств» . Adv Drug Deliv Rev . 60 (11): 1252–1265. DOI : 10.1016 / j.addr.2008.03.018 . PMC 2702670 . PMID 18558452 .
- ^ Цеберс, Андрейс; Эрглис, Каспарс (25 февраля 2016 г.). «Гибкие магнитные нити и их применение». Adv Funct Mater . 26 (22): 3783–3795. DOI : 10.1002 / adfm.201502696 .
- ^ Вач, Питер Дж .; Фэвр, Дэмиен (20 марта 2015 г.). «Триатлон магнитного срабатывания: катание, движение, плавание с одним магнитным материалом» . Природа . 5 : 9364. Bibcode : 2015NatSR ... 5E9364V . DOI : 10.1038 / srep09364 . PMC 4366818 . PMID 25791721 .