Динамика активных пузырьков в магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле
Е. А. Соколов,
Д. А. Калюжная,
А. Г. Рекс,
В. И. Каленчук,
Г. А. Жуков,
Р. Е. Политов,
П. А. Ряполов https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-1-102-119
Аннотация
Цель. Разработать способ генерации активных пузырьков и капель, содержащих немагнитное ядро и оболочку из магнитной жидкости, а также исследование влияния магнитного поля на их динамику.
Методы. Эксперименты проводились на экспериментальной установке для исследования динамики капельного и пузырькового течения в магнитных жидкостях, разработанной на основе известных методов. В качестве источника неоднородного магнитного поля использовался кольцевой постоянный магнит, помещенный сверху электромагнита. Для исследования влияния внешнего магнитного поля на динамику пузырьков или капель использовался постоянный магнит. Подача немагнитной фазы в канал осуществлялась с помощью шприцевого насоса. Динамика капельных и пузырьковых течений фиксировалась в проходящем свете осветителя с помощью высокоскоростной камеры (Nikon 1).
Результаты. Проведены исследования динамики активных пузырьков и капель, образующихся в неоднородном поле кольцевого магнита путем введения немагнитной фазы в магнитную жидкость. Изучено влияние конфигурации магнитного поля на скорость, ускорение и размер активных капель. Показано явление самоорганизации пузырьков на поверхности масляного слоя и влияние на образующиеся включения внешнего магнитного поля.
Вывод. В процессе проведения эксперимента установлено, что отделение немагнитных капель и пузырьков происходит из левитирующего немагнитного объема. Размер и динамику пузырьков и капель можно контролировать с помощью внешнего магнитного поля. При увеличении тока скорость капель увеличивается, ускорение уменьшается, размер уменьшается. Это объясняется изменением конфигурации поля, создаваемого комбинированным источником магнитного поля. При явлении самоорганизации немагнитных пузырьков, покрытых магнитной оболочкой, можно заметить, что их диаметр уменьшается с увеличением концентрации магнитной жидкости, а толщина оболочки увеличивается. Внесение магнита в направлении пузырьков делает магнитную оболочку пузырьков тоньше, что приводит к дальнейшему разрушению пузырьков в тех случаях, когда они покрыты оболочкой малоконцентрированной МЖ. В случае пузырьков, покрытых оболочкой концентрированных магнитных жидкостей, они не разрушаются.
Ключевые слова
магнитные жидкости,
активные капли,
активные пузырьки,
неоднородное магнитное поле,
микрожидкость,
магнитная гидродинамика
При поддержке: Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 22-22-003113 https://rscf.ru/project/22-2200311.
Об авторах
Е. А. Соколов
Юго-Западный государственный университет
Россия
Россия
Соколов Евгений Александрович, аспирант кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики
ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040
Д. А. Калюжная
Юго-Западный государственный университет
Россия
Россия
Калюжная Дарья Анатольевна, магистрант кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики
ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040
А. Г. Рекс
Белорусский национальный технический университет
Беларусь
Беларусь
Рекс Александр Георгиевич, доктор физикоматематических наук, профессор, профессор кафедры ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии»
пр. Независимости 65, г. Минск 220013
В. И. Каленчук
Юго-Западный государственный университет
Россия
Россия
Каленчук Валерий Иванович, лаборант, студент кафедры нанотехнологий, общей и прикладной физики
ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040
Г. А. Жуков
Юго-Западный государственный университет
Россия
Россия
Жуков Григорий Алексеевич, лаборант, студент кафедры нанотехнологий, общей и прикладной физики
ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040
Р. Е. Политов
Юго-Западный государственный университет
Россия
Россия
Политов Роман Евгеньевич, лаборант, студент кафедры нанотехнологий, общей и прикладной физики
ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040
П. А. Ряполов
Юго-Западный государственный университет
Россия
Россия
Ряполов Петр Алексеевич, доктор физико- математических наук, доцент, декан естественно-научного факультета
ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040
Список литературы
1. Actuating soft matter with magnetic torque / R. M. Erb, J. J. Martin, R. Soheilian, C. Pan, J. R. Barber // Adv. Funct. Mater. 2016. Vol. 26. P. 3859–3880. https://doi.org/10.1002/adfm.201504699.
2. Multifunctional magnetic soft composites: A review / S. Wu, W. Hu, Q. Ze, M. Sitti, R. Zhao // Multifunct. Mater. 2020. Vol. 3. P. 042003. https://doi.org/10.1088/2399-7532/abcb0c.
3. Dynamically reconfigurable, multifunctional emulsions with controllable structure and movement / K. H. Ku, J. Li, K. Yoshinaga, T. M. Swager // Adv. Mater. 2019. Vol. 31. P. 1905569. https://doi.org/10.1002/adma.201905569.
4. Vékás L. Ferrofluids and magnetorheological fluids // Advances in Science and Technology. 2008. Vol. 54. P. 127–136. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AST.54.127.
5. Torres-Díaz I., Rinaldi C. Recent progress in ferrofluids research: Novel applications of magnetically controllable and tunable fluids // Soft Matter. 2014. Vol. 10. P. 8584–8602. https://doi.org/10.1039/C4SM01308E.
6. Genc S., Derin B. Synthesis and rheology of ferrofluids: A review // Curr. Opin. Chem. Eng. 2014. Vol. 3. P. 118–124. https://doi.org/10.1016/j.coche.2013.12.006.
7. Joseph A., Mathew S. Ferrofluids: Synthetic strategies, stabilization, physicochemical features, characterization, and applications // ChemPlusChem. 2014. Vol. 79. P. 1382–1420. https://doi.org/10.1002/cplu.201402202.
8. Zhang X., Sun L., Yu Y., Zhao Y. Flexible ferrofluids: Design and applications // Adv. Mater. 2019. Vol. 31. P. 1903497. https://doi.org/10.1002/adma.201903497.
9. Socoliuc V., Avdeev M. V., Kuncser V., Turcu R., Tombácz E., Vekas L. Ferrofluids and bio-ferrofluids: Looking back andstepping forward // Nanoscale. 2022. Vol. 14. P. 4786–4886. https://doi.org/10.1039/D1NR05841J.
10. Rosensweig R. E. Ferrohydrodynamics. North Chelmsford, MA: USA Courier Corporation, 1985. 348 p.
11. Berkovsky B. M., Medvedev V. F., Krakov M. S. Magnetic fluids: engineering applications. Oxford, UK: Oxford University Press, 1993. 243 p.
12. Papell S. S. Low viscosity magnetic fluid obtained by the colloidal suspension of magnetic particles. Luxembourg: MPK, 1965.
13. Colloidal magnetic fluids: basics, development and application of ferrofluids; ed. S. Odenbach. Berlin/Heidelberg, Germany: Springer, 2009. 429 p. https://doi.org/10.1007/978-3-54085387-9.
14. Yerin C. V. Particles size distribution in diluted magnetic fluids // J. Magn. Magn. Mater. 2017. Vol. 431. P. 27–29. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.09.122.
15. Cao Q., Han X., Li L. Configurations and control of magnetic fields for manipulating magnetic particles in microfluidic applications: Magnet systems and manipulation mechanisms // Lab. A. Chip. 2014. Vol. 14. P. 2762–2777. https://doi.org/10.1039/C4LC00367E.
16. Динамика магнитных жидкостей и бидисперсных магнитных систем при колебательных сдвигах / Е. В. Шельдешова, П. А. Ряполов, А. Г. Рекс, А. В. Трепачев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 3. С. 130–146. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2022-12-3-130-146.
17. Ivanov A. S., Pshenichnikov A. F., Khokhryakova C. A. Floating of solid non-magnetic bodies in magnetic fluids: Comprehensive analysis in the framework of inductive approach // Phys. Fluids. 2020. Vol. 32. P. 112007. https://doi.org/10.1063/5.0024195.
18. Zakinyan A. R., Zakinyan A. A. Rotating field induced torque on ferrofluid emulsion with deformable dispersed phase microdrops // Sens. Actuators A Phys. 2020. Vol. 314. P. 112347. https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112347.
19. Bohara R. A., Thorat N. D., Pawar S. H. Role of functionalization: Strategies to explore potential nano-bio applications of magnetic nanoparticles // RSC Adv. 2016. Vol. 6. P. 43989– 44012. https://doi.org/10.1039/C6RA02129H.
20. Review on recent progress in magnetic nanoparticles: Synthesis, characterization, and diverse applications / A. Ali, T. Shah, R. Ullah, P. Zhou, M. Guo, M. Ovais, Y. Rui // Front. Chem. 2021. Vol. 9. P. 629054. https://doi.org/10.3389/fchem.2021.629054.
21. Kianfar E. Magnetic nanoparticles in targeted drug delivery: A review // J. Supercond. Nov. Magn. 2021. Vol. 34. P. 1709–1735. https://doi.org/10.1007/s10948-021-05932-9.
22. Nanocarriers for targeted drug delivery / A. Shah, S. Aftab, J. Nisar, M. N. Ashiq, F. J. Iftikhar // J. Drug Deliv. Sci. Technol. 2021. Vol. 62. P. 102426. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2021.102426.
23. Magnetic nanoparticles for cancer theranostics: Advances and prospects / X. Li, W. Li, M. Wang, Z. Liao // J. Control Release. 2021. Vol. 335. P. 437–448. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2021.05.042.
24. Magnetic nanoparticles — A multifunctional potential agent for diagnosis and therapy / R. S. Chouhan, M. Horvat, J. Ahmed, N. Alhokbany, S. M. Alshehri, S. Gandhi // Cancers. 2021. Vol. 13. P. 2213. https://doi.org/10.3390/cancers13092213.
25. Liu X., Tian Y., Jiang L. Manipulating dispersions of magnetic nanoparticles // Nano Lett. 2021. Vol. 21. P. 2699–2708. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04757.
26. Martínez-Pedrero F. Static and dynamic behavior of magnetic particles at fluid interfaces // Adv. Colloid Interface Sci. 2020. Vol. 284. P. 102233. https://doi.org/10.1016/j.cis.2020.102233.
27. Zentner C. A., Concellón A., Swager T. M. Controlled movement of complex double emulsions via interfacially confined magnetic nanoparticles // ACS Cent. Sci. 2020. Vol. 6. P. 1460–1466. https://doi.org/10.1021/acscentsci.0c00686.
28. Non-contact manipulation of nonmagnetic materials by using a uniform magnetic field: Experiment and simulation / X. Li, P. Yu, X. Niu, H. Yamaguchi, D. Li // J. Magn. Magn. Mater. 2020. Vol. 497. P. 165957. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165957.
29. Liquid flow and control without solid walls / P. Dunne, T. Adachi, A. A. Dev, A. Sorrenti, L. Giacchetti, A. Bonnin, T. M. Hermans // Nature. 2020. Vol. 581. P. 58–62. https://doi.org/10.5281/zenodo.3603029.
30. Zhou Y., Xuan X. Diamagnetic particle separation by shape in ferrofluids // Appl. Phys. Lett. 2016. Vol. 109. P. 102405. https://doi.org/10.1063/1.4962638.
31. Динамическое поведение газовых пузырьков и капель в магнитной жидкости в микрожидкостных чипах различной конфигурации в неоднородном магнитном поле / Д. А. Калюжная, Е. А. Соколов, А. О. Васильева, И. Ю. Сутарина, Е. В. Шельдешова, П. А. Ряполов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022, Т. 12, № 4. С. 152–167. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2022-12-4-152-16.
32. Elasticity of an air cavity in a magnetic fluid on an annular magnet segment with changing magnetic field sign / V. M. Polunin, P. A. Ryapolov, K. S. Ryabtsev, N. S. Kobelev, I. A. Shabanova, V. V. Yushin, E. B. Postnikov // Russ. Phys. J. 2018. Vol. 61. P. 1347–1357. https://doi.org/10.1007/s11182-018-1540-1.
33. Ryapolov P. A., Sokolov E. A., Postnikov E. B. Behavior of a gas bubble separating from a cavity formed in magnetic fluid in an inhomogeneous magnetic field // J. Magn. Magn. Mater. 2022. Vol. 549. P. 169067. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.169067.
34. Ряполов П. А., Соколов Е. А. Динамика немагнитных жидких и газообразных включений в магнитной жидкости в магнитном поле кольцевого магнита // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021, Т. 11, № 1. С. 105–116.
35. Battat S., Weitz D. A., Whitesides G. M. Nonlinear phenomena in microfluidics // Chem. Rev. 2022. Vol. 122. P. 6921–6937. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00985.
36. Magnetically actuated droplet manipulation and its potential biomedical applications / G. Huang, M. Li, Q. Yang, Y. Li, H. Liu, H. Yang, F. Xu // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. Vol. 9. P. 1155–1166. https://doi.org/10.1021/acsami.6b09017.
37. Ferromagnetic liquid droplets with adjustable magnetic properties / X. Wu, R. Streubel, X. Liu, P. Y. Kim, Y. Chai, Q. Hu, T. P. Russell // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2021. Vol. 118. P. e2017355118. https://doi.org/10.1073/pnas.201735511.
38. Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets / X. Liu, N. Kent, A. Ceballos, R. Streubel, Y. Jiang, Y. Chai, T. P. Russell // Science. 2019. Vol. 365. P. 264–267. https://doi.org/10.1126/science.aaw8719.
39. Magnetic field-induced self-assembly of multiple nonmagnetic bubbles inside ferrofluid / Q. Z. Li, Z. L. Lu, D. Zhou, X. D. Niu, T. Q. Guo, B. C. Du, Y. Li // Phys. Fluids. 2021. Vol. 33. P. 103307. https://doi.org/10.1063/5.0067426.
40. Reconfigurable multifunctional ferrofluid droplet robots / X. Fan, X. Dong, A. C. Karacakol, H. Xie, M. Sitti // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2020. Vol. 117. P. 27916–27926. https://doi.org/10.1073/pnas.2016388117.
41. Study on nonlinear magnetic droplets in a flow-focusing generator / J. Wu, L. Pei, X. He, Y. Cui, S. Xuan, X. Gong // Appl. Phys. Lett. 2019. Vol. 115. P. 031903. https://doi.org/10.1063/1.5104296.
42. Reconfigurable magnetic liquid metal robot for high-performance droplet manipulation / Y. Zhang, S. Jiang, Y. Hu, T. Wu, Y. Zhang, H. Li, J. Chu // Nano Lett. 2022. Vol. 22. P. 2923–2933. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00100.
43. Magnetic nanomotors in emulsions for locomotion of microdroplets / B. Kichatov, A. Korshunov, V. Sudakov, O. Petrov, V. Gubernov, E. Korshunova, A. Kiverin // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022. Vol. 14. P. 10976–10986. https://doi.org/10.1021/acsami.1c23910
Рецензия
Для цитирования:
Соколов Е.А., Калюжная Д.А., Рекс А.Г., Каленчук В.И., Жуков Г.А., Политов Р.Е., Ряполов П.А. Динамика активных пузырьков в магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле. Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023;13(1):102-119. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-1-102-119
For citation:
Sokolov E.A., Kalyuzhnaya D.A., Reks A.G., Kalenchuk V.I., Zhukov G.A., Politov R.E., Ryapolov P.A. Dynamics of Active Bubbles in a Magnetic Fluid in an Inhomogeneous Magnetic Field. Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology. 2023;13(1):102-119. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-1-102-119
Просмотров:
202
Послать статью по эл. почте 