Магнитоэластичная нить

Магнитоупругие нити представляют собой одномерные композитные структуры, обладающие как магнитными, так и упругими свойствами. Интерес к этим материалам обычно сосредоточен на способности точно контролировать механические события с помощью внешнего магнитного поля. Как и пьезоэлектрические материалы, их можно использовать в качестве приводов, но их не нужно физически подключать к источнику питания. Конформации, принимаемые магнитоупругими нитями, диктуются конкуренцией между их упругими и магнитными свойствами.

Механическое поведение

Магнитные наноцепи

Магнитные наноцепи — это новый класс магниточувствительных и суперпарамагнитных наноструктур с сильно анизотропной формой, 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 цепочку. Среди различных используемых методов связывания можно назвать покрытие диоксидом кремния, покрытие полиакриловой кислотой (ПАА), конденсацию тетраэтоксисилана , биотинилирование или разложение глюкозы . Обычно основными строительными блоками этих наноструктур являются отдельные суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPION). Кластеры наночастиц, состоящие 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 позволяют максимально контролировать форму цепи. Принципиальный интерес представляет сила, действующая на концы цепи под действием динамического поля. Эффект ларморовской прецессии с рядом магнитных коллоидов приводит к динамическим взаимодействиям, зависящим от угла прецессии поля. Фактически, прохождение магического угла меняет знак диполь-дипольного взаимодействия. В поле, быстро прецессирующем вокруг оси z, сила, действующая на конец цепи, определяется выражением ^{[ 5 ]}

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 $\mu$ дипольный момент, $\sigma$ диаметр бусины, $\omega$ – угловая частота прецессии поля, ${\frac {d\psi }{dt}}$ - скорость изменения пути нити, $\gamma$ - коэффициент вязкого сопротивления и $\mathbf {N}$ - единичный вектор плоскости, перпендикулярной касательной кривой нити. Это создает периодическую магнитную силу. Однако в условиях быстрой прецессии второй член остается ненулевым и масштабируется с увеличением $\omega ^{-1}$ . На низком уровне $\omega$ , магнитный момент доминирует и цепь наматывается вокруг себя. С высоким $\omega$ Модуль изгиба доминирует в энергетическом ландшафте, и нити образуют разветвленные гели с модулем объемного сжатия, зависящим от поля.

Прилагаемая нагрузка на нить обычно ограничивается методом связывания полимера. Режим упругой деформации простой ковалентно связанной нити короткий и в большинстве условий считается нерастяжимым. Если растягивающие силы становятся слишком большими, может произойти пластическая деформация, обычно приводящая к разрыву связей и распутыванию полимера. Эти необратимые изменения могут привести к необратимому изменению модуля изгиба, что в конечном итоге повлияет на характеристики нити. ^{[ 6 ]}

Сплавные наностолбики

Используя методы травления, такие как фрезерование сфокусированным ионным лучом , в магнитных материалах можно формировать столбики микро- или наноразмера. Однако многократный изгиб кристаллических столбиков может привести к образованию дефектов и усталостным повреждениям. Эти повреждения возникают в результате зарождения трещин на поверхности колонн даже в упругом режиме из-за локализованной пластичности. Распространение трещины во время последовательных циклов сжатия и растяжения может привести к разрушению колонны. Это похоже на то, что можно наблюдать в кантилеверной магнитометрии при работе в сильных полях. По этой причине желательно связывать более мелкие магнитные частицы вместе с более прочными и эластичными материалами, такими как полимер, а не использовать непрерывную нить из сплава. ^{[ 7 ]}

Приложения

Изготовление магнитных наноцепей с контролируемым соотношением сторон, единообразным размером и четко определенной формой находится в центре внимания многих ведущих мировых исследовательских групп и высокотехнологичных компаний. ^{[ 8 ]} , связанные с магнитомеханическим срабатыванием, Магнитные наноцепи обладают привлекательными свойствами, которые представляют собой значительную добавленную стоимость для многих потенциальных применений, включая наномедицины в низко- и сверхнизкочастотном переменном магнитном поле. ^{[ 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-изображение
Доставка лекарств
Адаптивные покрытия

См. также

Ссылки

^ Краль, Славко; Маковец, Дарко (27 октября 2015 г.). «Магнитная сборка суперпарамагнитных кластеров наночастиц оксида железа в наноцепи и наносвязки». АСУ Нано . 9 (10): 9700–9707. дои : 10.1021/acsnano.5b02328 . ПМИД 26394039 .
^ Магнитные наноматериалы, Редакторы: С.Х. Боссманн, Х. Ван, 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 наносвязки». АСУ Нано . 9 (10): 9700–9707. дои : 10.1021/acsnano.5b02328 . ПМИД 26394039 .
^ Тадич, Марин; Краль, Славко; Ягодич, Марко; Гензель, 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. Бибкод : 2014ApSS..322..255T . дои : 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 сборка геля парамагнитных нитей в быстрых прецессирующих полях». Физический обзор E . 95 (5): 052606. arXiv : 1711.06233 . Бибкод : 2017PhRvE..95e2606D . дои : 10.1103/PhysRevE.95.052606 .
^ Щербаков Валера П.; Винкльхофер, Майкл (27 декабря 2004 г.). «Изгиб магнитных нитей под действием магнитного поля». Физический обзор E . 70 (6): 061803. Бибкод : 2004PhRvE..70f1803S . дои : 10.1103/PhysRevE.70.061803 .
^ Миркович, Тихана; Фу, Мау Лин; Арсено, Андре К.; Фурнье-Бидо, Себастьен; Захария, Николь С.; Озин, Джеффри А. (12 августа 2007 г.). «Шарнирные наностержни, изготовленные с использованием химического подхода к гибким наноструктурам». Природные нанотехнологии . 2 (9): 565–569. Бибкод : 2007НатНа...2..565М . дои : 10.1038/nnano.2007.250 .
^ «Я знаю гномов » . nanosci.com
^ Головин Юрий И.; Грибановский, Сергей Л.; Головин Дмитрий Юрьевич; Клячко Наталья Львовна; Мажуга, Александр Г.; Мастер Алисса М.; Сокольская Марина; Кабанов, Александр В. (декабрь 2015 г.). «На пути к наномедицинам будущего: Дистанционное магнитомеханическое приведение в действие нанопрепаратов переменными магнитными полями» . Журнал контролируемого выпуска . 219 : 43–60. дои : 10.1016/j.jconrel.2015.09.038 . ПМЦ 4841691 . ПМИД 26407671 .
^ Сан, Конрой; Ли, Джерри Ш.; Чжан, Мицинь (17 августа 2008 г.). «Магнитные наночастицы в МРТ и доставке лекарств» . Adv Drug Deliv Rev. 60 (11): 1252–1265. дои : 10.1016/j.addr.2008.03.018 . ПМК 2702670 . ПМИД 18558452 .
^ Цеберс, Андрейс; Эрглис, Каспарс (25 февраля 2016 г.). «Гибкие магнитные нити и их применение». Adv Funct Mater . 26 (22): 3783–3795. дои : 10.1002/adfm.201502696 .
^ Вач, Питер Дж.; Фавр, Дэмиен (20 марта 2015 г.). «Триатлон магнитного воздействия: катание, движение, плавание с одним магнитным материалом» . Природа . 5 : 9364. Бибкод : 2015NatSR...5E9364V . дои : 10.1038/srep09364 . ПМК 4366818 . ПМИД 25791721 .

[1] Краль, Славко; Маковец, Дарко (27 октября 2015 г.). «Магнитная сборка суперпарамагнитных кластеров наночастиц оксида железа в наноцепи и наносвязки». АСУ Нано . 9 (10): 9700–9707. дои : 10.1021/acsnano.5b02328 . ПМИД 26394039 .

[2] Магнитные наноматериалы, Редакторы: С.Х. Боссманн, Х. Ван, 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 наноцепи и наносвязки». АСУ Нано . 9 (10): 9700–9707. дои : 10.1021/acsnano.5b02328 . ПМИД 26394039 .

[4] Тадич, Марин; Краль, Славко; Ягодич, Марко; Гензель, 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. Бибкод : 2014ApSS..322..255T . дои : 10.1016/j.apsusc.2014.09.181 .

[5] Демпстер, Джошуа М.; Васкес-Монтехо, Пабло; де ла Крус, Моника Ольвера (12 мая 2017 г.). «Сократительное срабатывание и динамическая сборка геля парамагнитных нитей в быстрых прецессирующих полях». Физический обзор E . 95 (5): 052606. arXiv : 1711.06233 . Бибкод : 2017PhRvE..95e2606D . дои : 10.1103/PhysRevE.95.052606 .

[6] Щербаков Валера П.; Винкльхофер, Майкл (27 декабря 2004 г.). «Изгиб магнитных нитей под действием магнитного поля». Физический обзор E . 70 (6): 061803. Бибкод : 2004PhRvE..70f1803S . дои : 10.1103/PhysRevE.70.061803 .

[7] Миркович, Тихана; Фу, Мау Лин; Арсено, Андре К.; Фурнье-Бидо, Себастьен; Захария, Николь С.; Озин, Джеффри А. (12 августа 2007 г.). «Шарнирные наностержни, изготовленные с использованием химического подхода к гибким наноструктурам». Природные нанотехнологии . 2 (9): 565–569. Бибкод : 2007НатНа...2..565М . дои : 10.1038/nnano.2007.250 .

[8] «Я знаю гномов » . nanosci.com

[9] Головин Юрий И.; Грибановский, Сергей Л.; Головин Дмитрий Юрьевич; Клячко Наталья Львовна; Мажуга, Александр Г.; Мастер Алисса М.; Сокольская Марина; Кабанов, Александр В. (декабрь 2015 г.). «На пути к наномедицинам будущего: Дистанционное магнитомеханическое приведение в действие нанопрепаратов переменными магнитными полями» . Журнал контролируемого выпуска . 219 : 43–60. дои : 10.1016/j.jconrel.2015.09.038 . ПМЦ 4841691 . ПМИД 26407671 .

[10] Сан, Конрой; Ли, Джерри Ш.; Чжан, Мицинь (17 августа 2008 г.). «Магнитные наночастицы в МРТ и доставке лекарств» . Adv Drug Deliv Rev. 60 (11): 1252–1265. дои : 10.1016/j.addr.2008.03.018 . ПМК 2702670 . ПМИД 18558452 .

[11] Цеберс, Андрейс; Эрглис, Каспарс (25 февраля 2016 г.). «Гибкие магнитные нити и их применение». Adv Funct Mater . 26 (22): 3783–3795. дои : 10.1002/adfm.201502696 .

[12] Вач, Питер Дж.; Фавр, Дэмиен (20 марта 2015 г.). «Триатлон магнитного воздействия: катание, движение, плавание с одним магнитным материалом» . Природа . 5 : 9364. Бибкод : 2015NatSR...5E9364V . дои : 10.1038/srep09364 . ПМК 4366818 . ПМИД 25791721 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]