Влияние структуры и параметров магнитной жидкости на магнитофорез в тонком слое

Целью работы является исследование во внешних градиентных магнитных полях закономерности процессов магнитофореза в магнитных жидкостях в тонких оптически прозрачных слоях и их взаимосвязь со структурированием и параметрами магнитожидкостной системы. 

Методы. Для изучения влияния структуры и параметров магнитной жидкости на динамику процесса магнитофореза был создан комплект экспериментальных установок по длительному воздействию неоднородных магнитных полей различной конфигурации. В качестве образцов исследовались образцы магнитной жидкости с различным дисперсным составом, в том числе и нецентрифугированные, содержащие крупные магнитные частицы.  

Результаты. В образцах магнитной жидкости с различным дисперсным составом исследовано явление магнитофореза в тонком слое в неоднородных магнитных полях различной конфигурации, создаваемых кольцевым постоянным магнитом, а также осевой магнитной системой на основе униполярных магнитов. На основе феноменологических уравнений магнитофореза и броуновской диффузии предложена теоретическая интерпретация динамики процесса магнитофореза в магнитожидкостных системах в неоднородном магнитном поле.

Заключение. Установлено, что для образца, содержащего более крупные магнитные наночастицы, процесс магнитофореза протекает в 5 раз быстрее. Разработаны методы исследования магнитофореза в магнитных жидкостях в неоднородных магнитных полях различной конфигурации, которые применимы для оценки размеров магнитных частиц и стабильности магнитных жидкостей, изучения процессов расслоения и структурообразования в них при продолжительном воздействии высокоградиентных магнитных полей.

1. Налетова В. А., Шкель И. А. Сила, действующая на тело со стороны магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле // Магнитная гидродинамика. 1987. Т. 23, № 2. С. 67–70.

2. Лукашевич М. В., Налетова В. А., Цуриков С. Н. Перераспределение концентрации магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле // Магнитная гидродинамика. 1988. Т. 24, № 3. С. 64–69.

3. Influence of Brownian diffusion on the statics of magnetic fluid / V. G. Bashtovoi, V. K. Polevikov, A. E. Suprun, A. V. Stroots, S. A. Beresnev // Magnetohydrodynamics. 2007. Vol. 43, No. 1. P. 17–25.

4. The effect of magnetophoresis and Brownian diffusion on the levitation of bodies in a magnetic fluid / V. G. Bashtovoi, V. K. Polevikov, A. E. Suprun, A. V. Stroots, S. A. Beresnev // Magnetohydrodynamics. 2008. Vol. 44, No. 2. P. 121–126.

5. Герметизаторы на основе нанодисперсных магнитных жидкостей и их моделирование / Ю. Б. Казаков, Н. А. Морозов, Ю И. Стародомский, С. М. Перминов; под общ. ред. Ю. Б. Казакова. Иваново: Иванов. гос. энергетический ун-т имени В. И. Ленина, 2010. 184 с.

6. Буевич Ю. А., Зубарев А. Ю., Иванов А. О. Броуновская диффузия в концентрированных ферроколлоидах // Магнитная гидродинамика. 1989. Т. 25, № 2. С. 39–43.

7. Morozov K. I. The translational and rotational diffusion of colloidal // Journal of magnetism and magnetic materials. 1993. Vol. 122, No. 1–3. P. 98–101.

8. Pshenichnikov A. F., Elfimova E. A. Influence of interparticle interactions on diffusion processes in magnetic fluids // Physics Procedia. 2010. Vol. 9. P. 101–104.

9. Pshenichnikov A. F., Ivanov A. S. Magnetophoresis of particles and aggregates in concentrated magnetic fluids // Physical Review E. 2012. Vol. 86, No. 5. P. 051401.

10. IvanovA. S., Pshenichnikov A. F. Magnetophoresis and diffusion of colloidal particles in a thin layer of magnetic fluids // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2010. Vol. 322, No. 17. P. 2575–2580.

11. Ерин, К. В. Об изменении распределения частиц и агрегатов по размерам при разбавлении магнитных жидкостей // Коллоидный журнал. 2017. Т. 79, № 1. С. 32–37.

12. Combining positive and negative magnetophoreses to separate particles of different magnetic properties / T. Zhu, R. Cheng, Y. Liu, J. He, L. Mao // Microfluidics and nanofluidics. 2014. Vol. 17, No. 6. P. 973–982.

13. Label‐free microfluidic manipulation of particles and cells in magnetic liquids / W. Zhao, R. Cheng, J. R. Miller, L. Mao // Advanced functional materials. 2016. Vol. 26, No. 22. P. 3916–3932.

14. Unified view of magnetic nanoparticle separation under magnetophoresis / S. S. Leong, Z. Ahmad, S. C. Low, J. Camacho, J. Faraudo, J. Lim // Langmuir. 2020. Vol. 36, No. 28. P. 8033–8055.

15. Luo L., He Y. Magnetically driven microfluidics for isolation of circulating tumor cells // Cancer Medicine. 2020. Vol. 9. P. 4207–4231.

16. Continuous microfluidic purification of DNA using magnetophoresis / Y. Xu, Z. Zhang, Z. Su, X. Zhou, X. Han, Q. Liu // Micromachines. 2020. Vol. 11, No. 2. P. 187.

17. Xu C., Sun S. Superparamagnetic nanoparticles as targeted probes for diagnostic and therapeutic applications // Dalton Transactions. 2009. No. 29. P. 5583–5591.

18. Innovating approaches to the generation of intense magnetic fields: Design and optimization of a 4 Tesla permanent magnet flux source / F. Bloch, O. Cugat, G. Meunier, J. C. Toussaint // IEEE transactions on magnetics. 1998. Vol. 34, No. 5. P. 2465–2468.

19. Динамика цилиндра магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле / В. М. Полунин, Е. В. Шельдешова, П. А. Ряполов, Н. Э. Древолюк, А. А. Чураев, А. В. Кузько // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10, № 3. С. 20–31.

20. Магнитофорез в магнитной жидкости в неоднородном поле кольцевого магнита / П. А. Ряполов, В. М. Полунин, В. Г. Баштовой, И. А. Шабанова, Г. В. Карпова, Е. А. Соколов, А. О. Васильева // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10, № 4. С. 92–107.

21. Frequency-dependent conversion of the torque of a rotating magnetic field on a ferrofluid confined in a spherical cavity / K. D. Usadel, A. Storozhenko, I. Arefyev, H. Nádasi, T. Trittel, R. Stannarius, P. Veit, A. Eremin // Soft matter. 2019. Vol. 15, No. 44. P. 9018– 9030.

22. Preparation of stable magnetorheological fluids based on extremely bimodal iron– magnetite suspensions / M. T. López-López, J. De Vicente, G. Bossis, F. González-Caballero, J. D. G. Durán // Journal of materials research. 2005. Vol. 20, No. 4. P. 874–881.

23. Rosensweig R. E. Magnetorheological particle clouds // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019. Vol. 479. P. 301–306.