在現代科技的迅速發展中，磁性液體作為一種特殊的智能材料，因其能在外加磁場下迅速改變自身力學性質而受到廣泛關注，特別是在精密制動系統、震動控制及目標導向藥物輸送系統等領域。然而，傳統的磁性液體數值模型多依賴于均勻分布的球形顆粒進行模擬，這雖然在初期為我們理解磁性液體的基本性質提供了便利，但因其忽略了磁性顆粒本身形狀在磁場作用下可能形成的鏈狀或更復雜的結構，限制了對磁性液體微觀復雜行為的準確預測和深入理解。因此，亟需開發一種新的模型，能夠準確捕捉非球型磁性顆粒在磁場下的復雜相互作用和材料本身磁流變性能的變化。
中國科學技術大學龔興龍教授團隊報告了一種基于修正的分子動力學和磁偶極子相互作用構建的針對納米球鏈磁性流體的數值模型。通過多組模擬，該研究不僅揭示了納米球鏈的長細比和幾何尺寸對宏觀磁流變效應的影響，還建立了納米球鏈的幾何參數與其介觀結構形成之間的聯系。最終，該研究確定的納米球鏈最佳幾何參數是長細比為7、粒徑為20 nm。另外，與傳統的球顆粒模型相比，該模型成功地將預測誤差減少了3.883倍。相關研究以“Nanosphere Chain Model of Magnetic Fluid and Its Dynamic Performance”為題發表于最新一期《Langmuir》上，論文第一作者為中國科學技術大學工程科學學院博士生王康，通訊作者為龔興龍教授和鄧華夏教授。
【數值模擬方法的構建】
與傳統的基于球形顆粒的模型不同，本模型采用納米球鏈作為基礎計算單元。在同一納米球鏈內，納米球通過磁偶極相互作用力結合在一起，忽略了排斥力和范德華力，整個球鏈被視為一個不可破壞的剛體。而在不同納米球鏈之間，則考慮了它們的旋轉和橫向碰撞交互。在每次模擬中，通過調整球鏈中納米球的數量，來改變球鏈顆粒的長細比。模擬初期，所有納米球鏈均沿z軸排列，隨后在z軸方向施加穩定的剪切流，促使結構開始變化，直到整個系統達到動態平衡。最終，該模型綜合考慮了磁偶極力、范德華力、彈性擠出力和流體粘滯阻力，在x-y平面的上下邊界處應用了周期性邊界條件以模擬連續體。
圖1 模擬的基本設置參數和納米球鏈的示意圖
【數值模型的誤差分析】
為了驗證模型的準確性，分別模擬了含有細長的DTM/MS2磁性顆粒和棒狀顆粒的磁性流體。DTM/MS2磁性顆粒的平均長度被設定為631 nm，長細比為5；棒狀顆粒的平均長度被設定為5 μm，長細比為8。模擬在300K溫度和7%體積分數下進行，磁場強度從0.1到10 kOe進行變化。對于棒狀顆粒，在1.1、2.2和3.3 kOe的磁場下進行了模擬。此外，還額外構建了一個基于球形顆粒的傳統模型進行比較。為了保持模擬體積和質量分數，模型中的顆粒數量與鏈模型相同，其他參數也保持與鏈模型相同，唯一改變的是模型的計算單元，一個將顆粒視為球形，另一個將顆粒視為鏈條。兩個模型的模擬結果與文獻報告的實驗結果進行了比較，球鏈模型成功地將平均預測誤差減少了3.883倍。
圖2 模型的誤差分析
【模擬參數對材料磁流變性能的影響】
通過修改球鏈的長細比，該工作首先研究了長細比對材料磁流變性能的影響。如圖3a所展示，長細比在2至10的范圍內只有一個峰值。當長細比達到7時，基于納米球鏈的磁性流體顯示出了最大的剪切應力。根據長細比不同，球鏈可分為三種類型：短鏈（長細比2至4）、中長鏈（長細比5至7）和長鏈（長細比大于7）。在短鏈區間，隨著長細比的增加，剪切應力穩定增長，其中直徑20nm的球鏈剪切應力增長最顯著，平均剪切應力從235Pa提升至562Pa，增幅達139%。同時，介觀結構的傾斜角度減少，其徑向分布函數緩慢上升（圖3c）。對于中長鏈，剪切應力的增加速度減緩，甚至略有下降，而徑向和傾斜角度分布函數的增長緩慢。而在長鏈情況下，剪切應力開始降低，平均傾斜角度也隨之減少。當長細比為7時，球鏈的傾斜角度最接近理想傾斜角度（圖3b），此時納米球鏈達到了最大剪切應力。此外，不同長細比對平均分子勢能的影響也進行了分析，結果顯示不同長細比下平均分子勢能沒有顯著變化（圖3d）。
圖3 顆粒長細比對宏觀性能和介觀結構參數的影響
同時分析顆粒長細比對自身屬性的影響時發現，隨著長細比的增加，磁偏轉力矩呈現近線性增長，而旋轉速度以二次函數曲線減小（圖4a）。在低長細比下，旋轉速度大于剪切速率。隨著模擬的進行，具有更強磁偏轉力矩的納米球鏈會構建更垂直的微觀結構。在高長細比下，剪切速率強于旋轉速度。此時，具有較大旋轉速度的納米球鏈有更小傾斜角度的更高概率。同時，流體分層現象也直接影響材料的宏觀性質。為了將分層現象進行定量分析，模擬區域被平均劃分為100個子區域。通過計算每個子區域的體積分數，得到磁性流體的分層程度參數。如圖4b所示，隨著長細比的增加，分層程度線性增加。高度分層程度會導致局部體積分數過小從而引起材料磁流變效應的降低，這可以解釋當長細比超過7時剪切應力的減小。
圖4 顆粒長細比對顆粒自身力學參數和介觀結構分層程度的影響
之后，通過修改顆粒的粒徑大小，對不同幾何尺寸的磁性液體顆粒進行了研究。如圖5a所示，隨著納米球的尺寸增加，剪切應力增加并在長細比1和2時達到穩定值。在較大長細比的情況下，剪切應力在20nm處達到峰值，然后下降至穩定值。通過觀察平均傾斜角度的變化圖（圖5b），可以看出平均傾斜角度隨著納米球直徑的增加而減小。這個結果對于20nm和30nm的納米球鏈來說，是最接近理論最佳角度的。圖5c和5d顯示，隨著直徑的增加，聚集度逐漸降低。可以看出，三個峰值在20nm時達到最大，證明了此時的微觀結構具有良好的緊湊性。在20nm時，由于傾斜角度和微觀結構的緊湊性都處于良好狀態，剪切應力達到了最大值，與靜止狀態相比有103%的提升（從322Pa提高到654Pa）。
圖5 顆粒粒徑對宏觀性能和介觀結構參數的影響
最終，文章還探討了剪切速率對材料磁流變性能的影響。納米球鏈的剪切應力隨剪切率的增加而增加，顯示出典型賓漢流體的性質，響應時間則隨剪切率的增加而減少。介觀結構方面，納米球鏈在不同剪切率下均為柱狀結構，顆粒的平均傾斜角度隨速率的增大而增大，該變化趨勢與剪切應力保持一致，而粒子的聚集程度則受到剪切速率的影響較小。
圖6 剪切速率對宏觀性能和介觀結構參數的影響
本研究成功開發了一種新型的基于納米球鏈的顆粒動力學模型，深入討論了納米磁性顆粒自身幾何參數對宏觀力學性能和介觀結構形成的影響。通過深入探索納米球鏈的長細比和幾何尺寸對磁性液體性能的影響，本研究揭示了優化這些參數以提升磁流變效應的可能性。最后，本研究確定了最優的長細比和幾何尺寸參數，為設計高性能磁流變材料提供了重要的參考。
原文鏈接
Kang Wang, Bing Liu, Xinyu Lian, Shouhu Xuan, Huaxia Deng and Xinglong Gong. Nanosphere Chain Model of Magnetic Fluid and Its Dynamic Performance.Langmuir, 2024, 40, 6187-6197.
DOI: 10.1021/acs.langmuir.3c03538
https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c03538
