Исследование эксцентриситета капли магнитной жидкости, плавающей в немагнитной жидкости под влиянием магнитного поля

Цель. Детально исследовать гидродинамические параметры капли магнитной жидкости с варьируемой объёмной концентрацией магнитной фазы, во взвешенном состоянии в объёме немагнитной жидкости, под воздействием внешнего магнитного поля с изменяющейся напряжённостью.

Методы. Экспериментальная часть работы выполнена на оригинальной лабораторной установке с использованием стандартного измерительного оборудования. Для измерения величины напряжённости магнитного поля применялся стандартный тесламетр ТПУ-01, оснащённый прецизионным датчиком Холла, что обеспечивало высокую точность регистрации поля в рабочей зоне. Помимо прямых измерений, было проведено компьютерное моделирование пространственной конфигурации магнитного поля в программном комплексе FEMM, интегрированном в среду MATLAB; это позволило детально проанализировать пространственное распределение магнитного поля и выполнить его визуализацию. Обработка видеоданных, фиксирующих динамику деформирующихся капель магнитной жидкости в окружающей немагнитной жидкости, осуществлялась с помощью специализированной программы для анализа изображений Digimizer, которая дала возможность с высокой точностью отслеживать изменение геометрических параметров капли во времени. Полученные экспериментальные данные были интерпретированы с помощью фундаментальных положений физики конденсированного состояния и законов классической и магнитной гидродинамики вязкой жидкости.

Результаты. Полученные результаты экспериментальных исследований согласуются с результатами численного моделирования, которые описывают изменение формы магнитожидкостной капли, плавающей в немагнитной среде, а также ее эксцентриситета в зависимости от концентрации магнитной фазы магнитной жидкости и величины напряженности магнитного поля, создаваемого соленоидом. Полученные результаты численного моделирования и экспериментальные данные согласуются друг с другом.

Заключение. Контроль над поведением диспергированных капель магнитной жидкости в немагнитной среде с использованием магнитного поля создает фундамент для новых технологий в микрофлюидике и «мягкой» робототехнике.

1. Approaches on ferrofluid synthesis and applications: Current status and future perspectives / O. Oehlsen, S. I. Cervantes-Ramírez, P. Cervantes-Avilés, I. A. Medina-Velo // ACS omega. 2022. Vol. 7, no. 4. P. 3134-3150. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c05631.

2. Magnetic fluids: the interaction between the microstructure, macroscopic properties, and dynamics under different combinations of external influences / P. Ryapolov, A. Vasilyeva, D. Kalyuzhnaya, A. Churaev, E. Sokolov, E.Shel’deshova // Nanomaterials. 2024. Vol. 14, no. 2. P. 222. https://doi.org/10.3390/nano14020222.

3. Mehta M., Bhandari A. Bhandari A. Advancement in biomedical applications of ferrofluids // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2025. Vol. 47, no. 10. P. 490. https://doi.org/10.1007/s40430-025-05806-4.

4. Investigation of ferrofluid sessile droplet tensile deformation in a uniform magnetic field / G. Zhu, S.-H. Wu, S.-Z. Zheng, L. Li, N.-T. Nguyen // Magnetochemistry. 2023. Vol. 9, no. 10. P. 215. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry9100215.

5. Synthesis and characterization of silica-coated oil-in-water (O/W) magnetic emulsion / E. Elkalla, S. Khizar, Z. Ait-Touchente, N. Lebaz // Emergent Materials. 2023. Vol. 6, no. 6. P. 2027-2039. https://doi.org/10.1007/s42247-023-00563-3.

6. Vinod S., Philip J. Field induced deformation of sessile ferrofluid droplets: effect of particle size distribution on magnetowetting // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2018. Vol. 466. P. 295- 300. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.06.074.

7. Kinematics and deformation of ferrofluid droplets under magnetic actuation / N. T. Nguyen, A. Beyzavi, K. M. Ng, X. Huang // Microfluidics and Nanofluidics. 2007. Vol. 3, no. 5. P. 571-579. https://doi.org/10.1007/s10404-007-0150-y.

8. Droplet manipulation under a magnetic field: A review / G. P. Zhu, Q. Y. Wang, Z. K. Ma, S. H. Wu, Y. P. Guo // Biosensors. 2022. Vol. 12, no. 3. P. 156. https://doi.org/10.3390/bios12030156.

9. Capobianchi P., Lappa M., Oliveira M. S. N. Deformation of a ferrofluid droplet in a simple shear flow under the effect of a constant magnetic field // Computers & Fluids. 2018. Vol. 173. P. 313-323. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2018.06.024.

10. Active droplet generation in flow-focusing microfluidics under influence of transverse magnetic field / B. Kichatov, V. Sudakov, D. Kalyuzhnaya, A. Korshunov, P. Ryapolov// Lab on a Chip. 2025. Vol. 25, no. 23. P. 6306-6313. https://doi.org/10.1039/D5LC00805K.

11. Thermally mediated droplet formation at a microfluidic T-junction / P.-C. Ho, Y. F. Yap, N.-T. Nguyen, J. C. Chai // Micro and Nanosystems. 2011. Vol. 3, no. 1. P. 65-75. https://doi.org/10.2174/1876402911103010065.

12. Lazarus N., Cortazar J. Stretchable magnetic materials and devices for soft robotics // MRS Communications. 2025. Vol. 15, no. 6. P. 1362-1377. https://doi.org/10.1557/s43579-025-00811-z.

13. Label-free manipulation via the magneto-Archimedes effect: fundamentals, methodology and applications / Q. H. Gao, W. M. Zhang, H. X. Zou, W. B. Li, H. Yan, Z.-K. Peng [et al.] // Materials Horizons. 2019. Vol. 6, no. 7. P. 1359-1379. https://doi.org/10.1039/C8MH01616J.

14. Ince Ö. D., Tekin H. C. MagSity platform: a hybrid magnetic levitation-based lensless holographic microscope platform for liquid density and viscosity measurements // Lab on a Chip. 2025. Vol. 25, no. 15. https://doi.org/10.1039/D5LC00144G.

15. Динамика всплывающих капель магнитной жидкости в глицерине в плоском канале под воздействием магнитного поля / Е. А. Соколов, Д. А. Калюжная, А. А. Прибылов, Р. Е. Политов, П. А. Ряполов // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2024. Т. 88, № 10. С. 16391643. https://doi.org/10.1134/S1062873824707967.