Моделирование отклика микроферрогеля на внешнее магнитное поле
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.1.9Ключевые слова:
феррогель, магнитные наночастицы, молекулярная динамика, численное моделированиеАннотация
Метод крупнозернистой молекулярной динамики использован для изучения микроферрогеля - малого полимерного объекта, содержащего наночастицы магнитоактивного наполнителя. Хотя приложенное магнитное поле непосредственно воздействует только на частицы, но, благодаря их связи с полимером, структурные и механические изменения происходят во всём композите. Изучение этих изменений актуально в связи с широко обсуждаемыми возможностями применения микроферрогелей как дистанционно управляемых микроконтейнеров для доставки биоактивного содержимого или лекарств. В работе предложена и реализована численная модель, позволяющая детально анализировать стационарные состояния отдельного микроферрогеля, взвешенного в нейтральном растворителе. Исследовано влияние концентрации наночастиц и их магнитных характеристик (величины магнитного момента, степени магнитной одноосной анизотропии, параметра диполь-дипольной связи) на структурирование частиц в отсутствие внешнего поля и на эволюцию этих структур при наличии поля. Показано, что цепочечные кластеры являются фактически единственным типом агрегатов, возникающих в микроферрогеле, однако то, как они отразятся на поведении полимерной подсистемы, существенно зависит как от типа магнитной анизотропии частиц, так и от концентрации магнитной фазы. Это, в свою очередь, приводит к отличающимся друг от друга сценариям механического отклика микроферрогеля на внешнее магнитное возбуждение и по-разному сказывается на изменении объёма содержащегося в нём растворителя.
Скачивания
Библиографические ссылки
Li Y. et al. Magnetic hydrogels and their potential biomedical applications // Adv. Funct. Mater. – 2013. – Vol. 23, no. 6. – P. 660-672. DOI
Golovin Yu. I. et al. Towards nanomedicines of the future: Remote magneto-mechanical actuation of nanomedicines by alternating magnetic fields // J. Control. Release. – 2015. – Vol. 219. – P. 43-60. DOI
Turcu R. et al. Magnetic microgels, a promising candidate for enhanced magnetic adsorbent particles in bioseparation: synthesis, physicochemical characterization, and separation performance // Soft Matter.– 2015. – Vol. 11, no. 5. – P. 1008-1018. DOI
Sanchez L. M., Alvarez V. A., Gonzalez J. S. Ferrogels: Smart materials for biomedical and remedation applications // Handbook of Composites from Renewable Materials. (eds. Thakur V. K., Thakur M. K., Kessler M. R.) – Scrivener Publishing LLC, 2017. – Vol. 8. Nanocomposites: Advanced Applications. – P. 561-580. DOI
Weeber R., Kantorovich S., Holm C. Ferrogels cross-linked by magnetic nanoparticles—Deformation mechanisms in two and three dimensions studied by means of computer simulations // J. Magn. Magn. Mater. – 2015. – Vol. 383. – P. 262-266. DOI
де Жен П. Идеи скейлинга в физике полимеров.– М.: Мир, 1982. – 368 с.
Weeks J.D., Chandler D., Andersen H.C. Role of repulsive forces in determining the equilibrium structure of simple liquids // J. Chem. Phys.– 1971. – Vol. 54, no 12. – P. 5237-5247. DOI
Wood D.S., Camp P.J. Modeling the properties of ferrogels in uniform magnetic fields // Rev. E.. – 2011. – Vol. 83, no 1. – P. 11402. DOI
Weeber R., Kantorovich S., Holm C. Ferrogels cross-linked by magnetic particles: Field-driven deformation and elasticity studied using computer simulations // J. Chem. Phys.. – 2015. – Vol. 143, no 15. – P. 154901. DOI
Ryzhkov A. V. et al. Structure organization and magnetic properties of microscale ferrogels: The effect of particle magnetic anisotropy // J. Chem. Phys. – 2016. – Vol. 145, no 7. – P. 74905. DOI
Berendsen H.J.C. et al. Molecular dynamics with coupling to an external bath // J. Chem. Phys. – 1984. – Vol. 81, no 8. – P. 3684–3690. DOI
http://espressomd.org/wordpress / (дата обращения 29.03.2018)
Ryzhkov A.V., Raikher Y.L. Structural changes in microferrogels cross-linked by magnetically anisotropic particles // J. Magn. Magn. Mater. – 2017. – Vol. 431, no.1. – P. 192–195. DOI
https://fenicsproject.org / (дата обращения 29.03.2018)
###
Li Y. et al. Magnetic hydrogels and their potential biomedical applications. Funct. Mater., 2013, vol. 23, no. 6, pp. 660‑672. DOI
Golovin Yu. I. et al. Towards nanomedicines of the future: Remote magneto-mechanical actuation of nanomedicines by alternating magnetic fields. Control. Release., 2015, vol. 219, pp. 43-60. DOI
Turcu R. et al. Magnetic microgels, a promising candidate for enhanced magnetic adsorbent particles in bioseparation: synthesis, physicochemical characterization, and separation performance. Soft Matter, 2015, vol. 11, no 5, pp. 1008-1018. DOI
Sanchez L. M., Alvarez V. A., Gonzalez J. S. Ferrogels: Smart materials for biomedical and remedation applications. Handbook of Composites from Renewable Materials. ( Thakur V. K., Thakur M. K., Kessler M. R.) Scrivener Publishing LLC, 2017, vol. 8. Nanocomposites: Advanced Applications. P. 561–580. DOI
Weeber R., Kantorovich S., Holm C. Ferrogels cross-linked by magnetic nanoparticles - Deformation mechanisms in two and three dimensions studied by means of computer simulations // Magn. Magn. Mater., 2015, vol. 383, pp. 262–266. DOI
de Gennes P.G. Scaling Concepts in Polymer Physics, Ithaca, Cornell University Press, 1979. 319 p.
Weeks J.D., Chandler D., Andersen H.C. Role of repulsive forces in determining the equilibrium structure of simple liquids. Chem. Phys., 1971, vol. 54, no 12, pp. 5237–5247. DOI
Wood D.S., Camp P.J. Modeling the properties of ferrogels in uniform magnetic fields. Rev. E, 2011, vol. 83, no 1, pp. 11402. DOI
Weeber R., Kantorovich S., Holm C. Ferrogels cross-linked by magnetic particles: Field-driven deformation and elasticity studied using computer simulations. Chem. Phys., 2015, vol. 143, no 15, pp. 154901. DOI
Ryzhkov A. V. et al. Structure organization and magnetic properties of microscale ferrogels: The effect of particle magnetic anisotropy. Chem. Phys., 2016, vol. 145, no 7, pp. 74905. DOI
Berendsen H.J.C. et al. Molecular dynamics with coupling to an external bath. Chem. Phys., 1984, vol. 81, no 8, pp. 3684-3690. DOI
http://espressomd.org/wordpress / (Accessed 29 March 2018)
Ryzhkov A.V., Raikher Y.L. Structural changes in microferrogels cross-linked by magnetically anisotropic particles. Magn. Magn. Mater, 2017, vol. 431, pp. 192–195. DOI
https://fenicsproject.org/ (Accessed 29 March 2018)
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2018 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
