Беляева Татьяна Дмитриевна - аспирант, Специализированный научный центр.
Ул. Данилы Зверева, д. 30, Екатеринбург 620137
Tatyana D. Belyaeva - Postgraduate Student, Specialized scientific center.
30 Danila Zvereva Str., Yekaterinburg 620137
Новак Екатерина Владимировна - кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической и математической физики.
Ул. Ленина, д. 51, Екатеринбург 620000
Ekaterina V. Novak - Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor at the Department of Theoretical and Mathematical Physics.
51 Lenina Str., Yekaterinburg 620000
Цель. Установление закономерностей влияния геометрической формы (сфера или эллипсоиды с отношением полуосей 1:1:2 и 1:1:3) на динамические характеристики магнитных активных частиц типа «малина», анализ их поступательного и вращательного движения в условиях наличия и отсутствия внешнего магнитного поля, а также при варьировании величины активной силы, приложенной к поверхности частицы.
Методы. Для достижения поставленной цели была разработана математическая модель эллипсоидальной магнитной частицы. Модель представляет собой жесткий каркас из центральной частицы и набора периферических субчастиц, равномерно распределенных по поверхности и внутри объема эллипсоида, что позволяет точно учитывать гидродинамические взаимодействия и анизотропию формы. Компьютерное моделирование выполнялось методом молекулярной динамики в пакете ESPResSo. Коэффициенты вращательного и поступательного трения для эллипсоидов были рассчитаны аналитически. Исследование проведено для широкого спектра значений активной силы и напряженности внешнего магнитного поля.
Результаты. В ходе компьютерных экспериментов было обнаружено, что эллипсоидальные частицы демонстрируют качественно иную динамику по сравнению со сферическими: их траектории становятся более сложными и хаотичными, особенно при увеличении активной силы. Анализ среднеквадратичного смещения показал, что форма частицы влияет на продолжительность баллистического режима и скорость перехода к диффузионному движению. Показано, что внешнее магнитное поле практически не влияет на движение частиц вдоль его направления, однако существенно подавляет подвижность в поперечном направлении, усиливая анизотропию диффузии.
Заключение. Динамика активных магнитных частиц определяется сложным взаимодействием трех ключевых факторов: форма частицы, величина движущей силы и напряженность внешнего магнитного поля. Полученные результаты подчеркивают необходимость комплексного учета этих параметров для предсказания поведения коллоидных систем, что имеет критическое значение для разработки эффективных методов адресной доставки веществ в медицинских и биотехнологических приложениях.
Purpose. To investigate the dynamic properties of magnetic active "raspberry"-type particles of different shapes under the influence and in the absence of an external magnetic field.
Methods. A mathematical model of ellipsoidal magnetic "raspberry"-type particles was developed for detailed simulation of translational and rotational processes of magnetic nanoparticles. Computational experiments based on this model were performed using molecular dynamics methods, followed by analysis of the obtained results.
Results. It was found that ellipsoidal particles demonstrate more complex and chaotic motion compared to spherical counterparts, especially with increasing aspect ratios and higher activation forces. The application of an external magnetic field has almost no effect on particle motion along the field direction, but it significantly reduces their velocity in the transverse direction, thus enhancing the anisotropy of motion.
Conclusion. The dynamic properties of active magnetic particles are determined by a complex interrelation between their shape, activation force, and external magnetic field, emphasizing the significance of taking into account these factors when designing colloidal systems for substance transport.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.