Ученый вуза выяснил, что происходит с «умным» магнитным гелем под воздействием магнитного поля

15:28, 7 декабря 2017

Применение находки можно найти в инженерии и регенерации биологических тканей

Магнитные полимеры с частицами, образующими цепочечные агрегаты, направлены вдоль магнитного поля Н. Фото: Андрей Зубарев

Результаты работы, посвященной изучению физической природы зависимостей упругих характеристик магнитных гелей от внешнего поля, представила группа ученых Уральского федерального университета под руководством Андрея Зубарева на международной конференции IBEREO 2017 The multidisciplinary Science of Rheology.

Магнитные гели — это «умные» композитные материалы нового поколения, состоящие из полимерной среды и внедренных в нее нано- или микроразмерных магнитных частиц. Эти композиты находят активное применение в магнитоуправляемых амортизаторах, стабилизаторах, системах безопасности, усилителях механических напряжений, а также в инженерии и регенерации биологических тканей.

Первые работы по синтезу магнитных гелей относятся к концу 80-х — началу 90-х годов прошлого столетия. Активное их изучение началось около десяти лет назад. В зависимости от предназначения эти системы изготовляются на основе как синтетических, так и биологических полимеров; размер внедряемых магнитных частиц варьируется от нескольких десятков нанометров до десятков микрон.

Одной из самых интересных особенностей магнитных гелей является их способность менять свои механические свойства (коэффициенты упругости и вязкоупругости) в разы и даже на порядки величины под действием умеренных магнитных полей, легко создаваемых в лабораторных и практических условиях.

В основе этих явлений лежит способность магнитных частиц к сохранению наиболее энергетически выгодного взаимного расположения в магнитном поле данной величины. При деформировании материала это расположение нарушается, но частицы под действием сил магнитного взаимодействия стремятся вернуться к нему. Это порождает дополнительную, часто очень сильную, упругую реакцию материала на его деформацию. Возможность управлять упругой реакцией магнитного геля при помощи магнитного поля оказывается очень перспективной для многих промышленных и медико-биологических технологий.

Анализ показывает, что магнитоупругие явления в магнитных гелях во многом определяются начальным пространственным расположением частиц в несущем полимере.

В новой работе профессора кафедры теоретической и математической физики УрФУ Андрея Зубарева теоретически исследовались деформации полимерного образца с начальным однородным (как молекулы в газе) пространственным распределением намагничивающихся частиц. Такие системы изготавливаются для многих технологий и изучаются в экспериментальных работах. Результаты Андрея Зубарева с коллегами вскрывают особенности изменения взаимного расположения частиц происходящего под действием поля и общей деформации композита, влияние этих особенностей на коэффициенты упругости материала. Теория предсказывает возможность увеличения в разы жесткости композита во внешнем поле.

В дальнейшем ученые собираются работать с материалами, синтез которых происходит во внешнем магнитном поле. В этом случае частицы под действием магнитного притяжения объединяются в различные структуры (линейные цепочки, плотные колонны и т.д.), которые способны очень сильно усилить как упругие свойства материала, так и магнитомеханические явления в нем.