Влияние формы на динамические свойства магнитной активной частицы типа «малина»

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.

1. Clustering and pattern formation in active colloids driven by competing attractive and repulsive interactions / A. Kaiser, B. Hofmann, F. Müller, C. Bechinger // Physical Review Letters. 2012. Vol. 108. P. 268307. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.268307.

2. Chepizko O., Kohler D., Bechinger C. Direct observation of nonequilibrium phase transitions in vibrated granular matter // Physical Review Letters. 2013. Vol. 111. P. 160604. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.160604.

3. Probing orientational order in anisotropic liquids via computer simulations / Y. Chubak, Z. Wang, M. Liu, J. de Graaf // Physical Review Research. 2020. Vol. 2. P. 043249. https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.043249.

4. Novak E. V., Pyanzina E. S., Kantorovich S. S. Behaviour of magnetic Janus-like colloids // Journal of Physics: Condensed Matter. 2015. Vol. 27. P. 234102. https://doi.org/10.1088/0953-8984/27/23/234102.

5. Bistable self-assembly in homogeneous colloidal systems for flexible modular architectures / G. Steinbach, D. Nissen, M. Albrecht, E. V. Novak, P. A. Sánchez, S.S. Kantorovich [et al.] //Soft Matter. 2020. Vol. 16. P. 10463-10474. https://doi.org/10.1039/D0SM01422F.

6. Kaiser M., Kantorovich S. S. Flux and separation of magneto-active superballs in applied fields // Physical Chemistry Chemical Physics. 2021. Vol. 23. P. 23827-23835. https://doi.org/10.1039/d1cp03343c.

7. Probing the spatiotemporal dynamics of catalytic Janus particles with single-particle tracking and differential dynamic microscopy / C. Kurzthaler, C. Devailly, J. Arlt, T. Franosch, W. C. K. Poon, V. A. Martinez [et al.] // Physical Review Letters. 2018. Vol. 121, is. 7. P. 078001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.078001.

8. Lattice-Boltzmann hydrodynamics of anisotropic active matter / J. De Graaf, H. Menke, A. J. T. M. Mathijssen, M. Fabritius, C. Holm // The Journal of Chemical Physics. 2016. Vol. 144, is. 13. P. 134901. https://doi.org/10.1063/1.4944138.

9. Run-and-tumble particles with hydrodynamics: sedimentation, trapping, and upstream swimming / R. W. Nash, R. Adhikari, J. Tailleur, M. E. Cates // Physical Review Letters. 2010. Vol. 104, is. 25. P. 258101. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.258101.

10. The raspberry model for hydrodynamic interactions revisited. I. Periodic arrays of spheres and dumbbells / L. P. Fischer, T. Peter, C. Holm, J. de Graaf // The Journal of Chemical Physics. 2015. Vol. 143. P. 084107. https://doi.org/10.1063/1.4928502.

11. Ustach V. D., Faller R. The raspberry model for protein-like particles: ellipsoids and confinement in cylindrical pores // The European Physical Journal Special Topics. 2016. Vol. 225, is. 8-9. P. 1643-1662. https://doi.org/10.1140/epjst/e2016-60161-y.

12. Chandler D., Weeks J. D., Andersen H. C. Van der Waals theory of the liquid-vapor critical point // The Journal Chemicol Physics. 1971. Vol. 5, is. 12. P. 4824-4835. https://doi.org/10.1063/1.1674857.

13. Verlet L. Computer "experiments" on classical fluids. I. Thermodynamical properties of LennardJones molecules // Physical Review. 1967. Vol. 159, is. 1. P. 98-103. https://doi.org/10.1103/PhysRev.159.98.

14. Brenner H. The Stokes resistance of an arbitrary particle. II. An extension // Chemical Engineering Sciences. 1963. Vol. 18. P. 1-25. https://doi.org/10.1016/0009-2509(63)85002-X.

15. Einstein A. On the movement of small particles suspended in a stationary liquid demanded by the molecular-kinetic theory of heat // Annals of Physics. 1905. Vol. 17. P. 549-560. https://doi.org/10.1002/andp.19053220806.

16. Qian H., Sheetz M. P., Elson E. L. Single particle tracking. Analysis of diffusion and flow in twodimensional systems // Biophysical Journall. 1991. Vol. 60. P. 910-921. https://doi.org/10.1016/S00063495(91)82125-7.

17. Saxton M. J. Single-particle tracking: effects of corrals // Biophysical Journal. 1995. Vol. 69. P. 389-398. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(95)79917-6.