Моделирование феррожидкости, наполненной смесью сферических и эллипсоидальных магнитных частиц

Цель ‒ разработать модель феррожидкости, магнитное наполнение которой состоит из наночастиц двух форм: сферы и вытянутого эллипсоида вращения; на основе предложенной модели исследовать магнитные свойства феррожидкости.

Методы. Моделирование проводится в рамках подхода крупнозернистой молекулярной динамики. Феррожидкость представлена в виде совокупности частиц двух форм: 1) сферической, для имитации которой используется потенциал Леннарда ‒ Джонса и 2) вытянутого эллипсоида вращения, описываемого анизотропным потенциалом Гая ‒ Берне. Для моделирования стерического взаимодействия разнотипных частиц вводится смешанный потенциал. С магнитной точки зрения вытянутая частица рассматривается как цепочка точечных диполей, ориентированных вдоль большой оси эллипсоида. Тепловая флуктуация феррожидкости имитируется включением в систему термостата Ланжевена.

Результаты. Проведены серии тестовых расчётов в системах с разными соотношениями частиц двух типов, но одинаковой общей объёмной концентрацией магнитного наполнителя. Получены кривые квазистатического намагничивания образцов, которые показали, в частности, рост магнитной восприимчивости феррожидкости с включением в неё эллипсоидальных частиц. Кроме того, проведена оценка образования частицами объединений в зависимости от состава системы.

Заключение. Предложена модель феррожидкости, наполненной частицами сферической и вытянутой эллипсоидальной формами, для имитации стерических взаимодействий которых использованы соответствующие пространственные потенциалы. Тестовые расчёты на образцах с разным соотношением частиц двух типов показали работоспособность и физическую адекватность разработанной модели. Дальнейшее развитие предложенного подхода связано в первую очередь с добавлением возможности описания полидисперсности анизотропных частиц.

1. Rosensweig R. E. Ferrohydrodynamics. New York: Dover Publications, 2013. 368 p.

2. Leakage-free rotating seal systems with magnetic nanofluids and magnetic composite fluids designed for various applications / T. Borbáth, D. Bica, I. Potencz, I. Borbáth, T. Boros, L. Vékás // International Journal of Fluid Machinery and Systems. 2011. Vol. 4, no. 1. P. 67–75.

3. Odenbach S. Recent progress in magnetic fluid research // Journal of Physics: Condensed Matter. 2004. Vol. 16, no. 32. P. R1135.

4. Progress in applications of magnetic nanoparticles in biomedicine / Q. A. Pankhurst, N. T. K. Thanh, S. K. Jones, J. Dobson // Journal of Physics D: Applied Physics. 2009. Vol. 42, no. 22. P. 224001.

5. Odenbach S. Colloid magnetic fluids. Berlin; Heidelberg: Springer, 2009. 763 p.

6. Lisjak D., Mertelj A. Anisotropic magnetic nanoparticles: A review of their properties, syntheses and potential applications // Progress in Materials Science. 2018. Vol. 95. P. 286-328.

7. Water-soluble Iron oxide nanocubes with high values of specific absorption rate for cancer cell hyperthermia treatment / P. Guardia, R. Di Corato, L. Lartigue, C. Wilhelm, A. Espinosa, M. Garcia-Hernandez [et al.] // ACS Nano. 2012. Vol. 6, no. 4. P. 3080-3091.

8. Aoshima M., Satoh A. Two-dimensional Monte Carlo simulations of a colloidal dispersion composed of rod-like ferromagnetic particles in the absence of an applied magnetic field // Elsevier Journal of Colloid and Interface Science. 2005. Vol. 293, no. 1. P. 77-87.

9. Satoh A. Monte Carlo simulations on phase change in aggregate structures of ferromagnetic spherocylinder particles // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2016. Vol. 504. P. 393-399.

10. Sánchez J. H., Rinaldi C. Rotational Brownian dynamics simulations of non-interacting magnetized ellipsoidal particles in d.c. and a.c. magnetic fields // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2009. Vol. 321, no. 19. P. 2985-2991.

11. Kharazmi A., Priezjev N.V. Molecular dynamics simulations of the rotational and translational diffusion of a Janus rod-Shaped nanoparticle // The Journal of Physical Chemistry B. 2017. Vol. 121. P. 7133-7139.

12. Cluster analysis in systems of magnetic spheres and cubes / E. S. Pyanzina, A. V. Gudkova, J. G. Donaldson, S. S. Kantorovich // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. Vol. 431. P. 201-204.

13. Abbasi M., Heyhat M. M., Rajabpour A. Study of the effects of particle shape and base fluid type on density of nanofluids using ternary mixture formula: A molecular dynamics simulation // Journal of Molecular Liquids. 2020. Vol. 305, no. 8. P. 112831.

14. Ying Y., Xu K., Si G. Simulation and experiment study of a new type magnetic fluid optical grating // Optik. 2020. Vol. 202. P. 163561.

15. The influence of polydispersity on the structural properties of the isotropic phase of magnetic nanoplatelets / M. Rosenberg, Ž. Gregorin, P. H. Boštjančič, P. Sebastián, D. Lisjak, S. S. Kantorovich [et al.] // Journal of Molecular Liquids. 2020. Vol. 312. P. 113293.

16. The computational study of nanoparticles shape effects on thermal behavior of H2O-Fe nanofluid: A molecular dynamics approach / Y. Shi, A. Abidi, Y. Khetib, L. Zhang, M. Sharifpur, G. Cheraghian // Journal of Molecular Liquids. 2022. Vol. 346. P. 118093.

17. Weeks J. D., Chandler D., Andersen H. C. Role of repulsive forces in determining the equilibrium structure of simple liquids // Journal of Chemical Physics. 1971. Vol. 54. P. 5237-5247.

18. Gay J. G., Berne B. J. Modification of the overlap potential to mimic a linear site–site potential // Journal of Chemical Physics. 1981. Vol. 74. P. 3316-3319.

19. Grest G. S., Kremer K. Molecular dynamics simulation for polymers in the presence of a heat bath // Physical Review A. 1986. Vol. 33, no. 5. P. 3628–3621.

20. The structure of Copper ferrite prepared by five methods and its catalytic activity on lignin oxidative degradation / Z. Ye, Z. Deng, L. Zhang, J. Chen, G. Wang, Z. Wu // Materials Research Express. 2020. Vol. 7, no. 3. P. 035007.

21. Younes A., Kherrouba N., Bouamer A. Magnetic, optical, structural and thermal properties of copper ferrite nanostructured synthesized by mechanical alloying // Micro & Nano Letters. 2020. Vol. 16, no. 4. P. 251-256.

22. Copper ferrite nanoparticles synthesized using anion-exchange resin: influence of synthesis parameters on the cubic phase stability /S. Saikova, A. Pavlikov, D. Karpov, A. Samoilo, S. Kirik, M. Volochaev [et al.] // Materials. 2023. Vol. 16, no. 6. P. 2318.

23. Structural and electrical properties of Copper ferrite (CuFe2O4) Nps / V. K. Surashe, V. Mahale, A. P. Keche, R. C. Alange, P. S. Aghav, R. G. Dorik // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1644, no. 1. P. 012025.

24. ESPResSo 4.0 – an extensible software package for simulating soft matter systems / F. Weik, R. Weeber, K. Szuttor, K. Breitsprecher, J. de Graaf, M. Kuron [et al.] // The European Physical Journal Special Topics. 2019. Vol. 227. P. 1789-1816.