Аннотация проекта 19-12-00209: Данный проект, основываясь на накопленном научном опыте в области взвесей магнитных наночастиц, магнитных филаментов и магнитных гелей, направлен на разработку моделей функциональных покрытий, свойствами которых можно управлять при помощи внешнего магнитного поля. Эти покрытия являются новым классом магнитных мягких материалов, где под термином "магнитный мягкий материал" понимается жидкость, гель, коллоидная или полимерная суспензия, содержащая частицы с собственной остаточной намагниченностью и/или намагничиваемые внешним магнитным полем. Магнитные покрытия, на разработку и изучение которых направлен данный проект, могут быть подразделены на три класса, согласно типу составных элементов: магнитные филаменты, коллоиды с магнитными кубическими частицами и магнитные наночастицы (дипольные твердые сферы). В первом случае будут изучены щетки из магнитных филаментов, во втором – слои из магнитных кубов. В последнем случае будут рассмотрены полые области, внутри (в виде взвеси) или на поверхности (в форме звеньев полимерной матрицы – геля) которых расположены «традиционные» магнитные наночастицы. Во всех трех случаях будут изучены как плоские, так и сферические геометрии покрытий.
Конкретная научная задача, на решение которой направлен проект: найти форму и тип магнитных частиц, ориентацию магнитного момента внутри таких частиц и (или) структуру щетки из магнитных филаментов, микроструктурные превращения в которых во внешнем магнитном поле приводят к наиболее эффективному способу динамического управления скоростью течения магнитопассивной жидкости в микроканале или на поверхности, функционализированных данным мягким магнитным материалом.
Отметим, что синтез таких покрытий является очень трудоемким и дорогостоящим, а зачастую и просто невозможным по причине отсутствия базового знания о проведении различных компонент. Таким образом, необходимо сначала на уровне теории и компьютерного моделирования достичь фундаментального понимания структуры и свойств магнитных функциональных покрытий, самоорганизации в них структурных единиц при наличии пространственных ограничений, что и является главной целью нашего проекта. Данный проект, который позволит сузить спектр экспериментальных попыток синтеза мягких магнитных материалов за счет определения важнейших характеристик и управляющих параметров посредством теоретического анализа, является важным шагом в разработке магнитных мягких смарт-материалов с прогнозируемыми термодинамическими и реологическими свойствами.
Для достижения наших целей будет использована комбинация аналитических подходов, численных методов и компьютерного эксперимента. Проект будет реализован в сотрудничестве с экспериментальными группами Пьетро Тиерно (Prof. Pietro Tierno) из Университета г. Барселоны (Испания) и Регины вон Клитцинг (Prof. Regine von Klitzing) из Университета г. Дармштадт (Германия). Отметим, что эти две группы экспериментаторов являются признанными мировыми лидерами в области мягких магнитных материалов, аналогов которым, к сожалению пока нет в РФ. Сотрудничество с экспериментаторами, с одной стороны, позволит нам проверять адекватность и достоверность полученных в проекте результатов как удаленно, так и проводя краткосрочные совместные исследования, посещая их лаборатории, а, с другой стороны, эти группы не нуждаются в дополнительном финансировании со стороны РНФ для проведения исследований.
В заключение хотелось бы отметить новизну и актуальность данного проекта. Во-первых, проект междисциплинарен, он объединяет в себе сразу несколько областей физики и химии, причем наличие в нем магнитной компоненты делает его, насколько нам известно, уникальным. С другой стороны, данный проект является логическим продолжением исследований в области смарт-материалов и опирается на важнейшие достижения трех сформировавшихся в XX-ом веке направлений молекулярной физики (физической химии) и физики конденсированного состояния: полимеров, коллоидов и магнитных наночастиц. В основу данного проекта легла концепция, объединяющая все три вышеперечисленные компоненты и принцип самоорганизации в полимерных и коллоидных системах. Эта концепция уже приобрела особую значимость для разработки новых смарт-материалов. Основная идея состоит в том, что управляя степенью и типом самоорганизации в магнитных мягких материалах на уровне от десятка нанометров до нескольких микрон, можно точно контролировать макроскопические свойства данных систем: магнитный, реологический и механический.
Аннотация проекта 19-12-00209-П: Создание функциональных покрытий, оптическими, механическими, реологическими и структурными свойствами которых можно управлять при помощи внешнего магнитного поля, является неотъемлемой частью развития современных нанотехнологий. Нанесенные на лекарственные препараты, такие покрытия могут быть использованы для направленного транспорта внутри человеческого тела; использованные внутри микроканала, функциональное покрытие может способствовать механической фильтрации - хроматографии; а на поверхности макроскопических размеров такие пленки могут динамически изменять смачиваемость. Важным достоинством функциональных покрытий на основе магнитных мягких материалов - жидкостей, гелей, коллоидных или полимерных суспензий, содержащих частицы с собственной остаточной намагниченностью и/или намагничиваемые внешним магнитным полем - это способность к обратной связи: они могут выступать в качестве сенсоров изменений, например, давления или влажности и динамически подстраивать свои свойства соответственно. Синтез таких покрытий по сей день является весьма трудоемким и дорогостоящим, поэтому необходимо на уровне теории и компьютерного моделирования достичь фундаментального понимания структуры и свойств магнитных функциональных покрытий, самоорганизации в них структурных единиц при наличии пространственных ограничений. Именно это понимание и продолжает являться основной целью нашего проекта, направленного на разработку и изучение трех классов функциональных покрытий. К первому классу относятся системы из магнитных филаментов - полимероподобных супрамолекулярных структур, в качестве мономеров которых, выступают магнитные наночастицы. В первые три года работы над проектом было выявлено, что свойства покрытия на базе магнитных филаментов может обладать качественно различными свойствами в зависимости от магнитной анизотропии мономеров. Были изучены два предельных случая: для филаментов с суперпарамагнитными частицами был обнаружен эффект сжатия в поле, в то время как для филаментов с ферромагнитными мономерами такого поведения не наблюдалось. Это первый фактор, который в сочетании с характерными размерами мономеров, допускающих разброс по магнитным характеристикам, натолкнул нас на мысль о необходимости расширения подхода на промежуточные типы магнитной анизотропии частиц и продолжения начатых исследований. Второй класс изучаемых покрытий основан на суспензиях магнитных кубических частиц. В ходе работы над проектом было обнаружено, что, во-первых, активная компонента, позволяющая частицам преобразовывать химическую энергию среду в кинетическую, открывает новый потенциал в направленном транспорте. Во-вторых, оказалось, что на базе гематитовых кубических частиц можно конструировать реконфигурируемые внешним полем решетки, обладающие в перспективе магнитной хиральностью. В-третьих, в первые три года было обнаружено, что суспензии магнитных наноразмерных дисков обладают уникальными магнитными и оптическими свойствами, которые также могут быть использованы для создания функциональных покрытий. Наряду с только что перечисленными дополнительными перспективами, в ходе исследования анизометричных частиц, как и в случае с филаментами, ясно возникла необходимость аккуратного учета внутренней магнитной анизотропии основных составляющих элементов.К третьему классу относятся покрытия из полимерной матрицы с внедренными в них магнитными наночастицами на сферических деформируемых поверхностях. Эти покрытия позволяют создавать наноразмерные капсулы-контейнеры, объемом и жесткостью которых можно управлять внешним магнитным полем и течением носителя. В первые три года было показано, что плотность сшивок и их распределение оказывает решающее влияние на магнитный отклик таких покрытий. Более того, оказалось, что магнитные взаимодействия влияют на поведение капсулы в потоке. Первые результаты, полученные по капсулам различной архитектуры - ядро-оболочка, везикула, со смещенным центром масс - свидетельствуют о необходимости дополнительного исследования, которое как и для двух предыдущих классов не будет полным, если не учитывать внутреннюю магнитную анизотропию используемых наночастиц.Подводя итог написанному выше, конкретная научная задача, которая возникла в ходе первых трех лет работы над проектом, может быть сформулирована следующим образом: найти тип - форму, размер и внутреннюю анизотропию - магнитных частиц, внедрение которых в функциональные покрытия позволит как эффективно динамически управлять скоростью течения магнитопассивной жидкости в микроканале или на поверхности, функционализированных данным мягким магнитным материалом, так и легко адаптироваться к механическим воздействиям, таким как изменение потока или давления.Для решения поставленной задачи будет использована комбинация численных методов и компьютерного эксперимента. Проект будет реализован в сотрудничестве с экспериментальными группами Олега Ганга (Prof. Oleg Gang) из Университета Колумбия г. Нью-Йорк (США), Аленки Мертейл ( Prof. Alenka Mertelj) из Института Йозефа-Штефана, г. Любляна (Словения) и Лауры Росси (Dr. Laura Rossi), Университет г. Дельф (Нидерланды) - признанными мировыми лидерами в области мягких магнитных материалов, прямых аналогов которых, к сожалению, еще не сформировалось в РФ. Для усовершенствования существующих и разработки новых функциональных покрытий непосредственные контакты (личные или виртуальные, согласно ограничениям, связанным с пандемией) с экспериментаторами необходимы для проверки адекватности и достоверности полученных в проекте результатов. Отметим, что все вышеперечисленные группы заинтересованы в сотрудничестве и не нуждаются в дополнительном софинансировании со стороны РНФ.Отличительным качеством данного проекта является его интердисциплинарность - он успешно (как показали последние три года) объединяет в себе несколько областей физики и химии, а магнитная компонента с варьируемой анизотропией делает его, насколько нам известно, уникальным.