Микро- и мезоскопическое структурирование магнитных коллоидных наносистем и его влияние на их физические свойства

Проект направлен на установление физических механизмов образования микро- и мезоскопических структур в магнитных коллоидах и композиционных средах на их основе, обусловленных межчастичными взаимодействиями и действием внешних силовых полей. Данная проблема предполагает изучение поведения, структурной эволюции и транспорта частиц в далеких от равновесия состояниях магнитных коллоидных систем, когда имеет место специфическое совместное проявление взаимодействий нано- и микрочастиц различного характера, приводящих к процессам комплексного микро- и мезомасштабного структурирования. При этом происходящие в микромасштабе процессы обуславливают закономерности проявления макроскопических физических свойств магнитных коллоидных систем, изучение которых является частью проблематики проекта. В 2024 г. предполагается решение следующих задач на основе результатов, полученных в 2023 году: 1. Экспериментальное исследование возможности управления магнитными свойствами и процессами намагничивания магнитных коллоидных систем с помощью воздействия электрическим полем. Теоретическое обоснование обнаруженных эффектов, изучение возможности их применения на практике. 2. Исследование электрофореза в магнитных коллоидах на различных основах с различными типами их стабилизации. Установление возможности компенсации процесса электрофореза дополнительным воздействием магнитного поля. 3. Изучение явления вращения плоскости поляризации сверхвысокочастотной электромагнитной волны и невзаимных явлений при взаимодействии с конечными объемами магнитных коллоидных систем. Численное моделирование рассмотренных процессов и сопоставление с экспериментальными данными. 4. Анализ характеристик развития неустойчивости и закономерности интенсификации перемешивания в микрообъемах магнитных коллоидов. Компьютерное моделирование рассмотренных явлений на основе решения уравнений феррогидродинамики методом конечных объемов. 5. Изучение реологических свойств и закономерностей гидродинамического поведения магнитных эмульсий на основе магнитных коллоидов, в процессе изменения микрогеометрии среды в магнитном поле. Экспериментальные и теоретические исследования закономерностей магнитных и гидродинамических взаимодействий дисперсных капель, подверженных действию сдвиговых напряжений и магнитного поля. 6. Исследование оптических свойств композиционных сред на основе магнитных жидкостей, созданных путем использования в качестве дисперсной фазы коллоидного раствора не только ферро- и ферримагнитных наночастиц, но и частиц композитов или частиц агрегатов, составной частью которых является магнитный материал. Будут изучены два механизма релаксации электро- магнитооптических эффектов - вращательная броуновская диффузия и релаксация формы жидкой микрокапли. 7. Исследование особенностей оптических свойств коллоидных наносистем, обусловленных структурными изменениями под воздействием электрического и магнитного полей, что включает в себя изучение эффектов двойного лучепреломления, дихроизма и анизотропии рассеяния света. Для проведения измерений будут использованы установки для регистрации интенсивности и параметров эллипса поляризации прошедшего через магнитные коллоиды света при воздействии внешних полей в широком диапазоне температур, а использование спектрального эллипсометра обеспечит исследование оптических эффектов в проходящем и отраженном свете в диапазоне длин волн от УФ для ближней ИК области (350 до 1050 нм). Методика исследований оптических эффектов в диэлектрических жидкостях с магнитными коллоидными частицами предполагаем конструирование специальных ячеек с встроенными электродами из различных материалов (меди, алюминия, титана, графита) различных типов («плоскость-плоскость» и плоскость–лезвие»). В 2025 г. предполагается решение следующих задач на основе результатов, полученных в 2023 и 2024 годах: 1. Изучение спектров комплексной магнитной восприимчивости суперпарамагнитных коллоидов в высокочастотном диапазонное. Численное моделирование рассмотренных процессов и сопоставление с экспериментальными данными. 2. Исследование оптических эффектов при воздействии гидродинамических полей с использованием метода вращающейся кюветы при воздействии однородного магнитного поля. Выявление механизмов ориентации частиц под воздействием градиента скорости потока и магнитного поля. Изучение изменения оптических свойств среды за счет разрушения структур в магнитных коллоидах (разрыв цепочек микрочастиц и микрокапель) в гидродинамическом потоке. Изучение структурных свойств и характеристик исследуемых сред методами оптической микроскопии (темное поле, светлое поле, поляризационная микроскопия, фазовый контраст) и зондовой сканирующей микроскопии (при исследовании тонких слоев высушенных или замороженных образцов). 3. Интерпретации и теоретический анализ обнаруженных оптических эффектов и закономерностей. Анализ оптических эффектов будет выполнен как на основе известных оптических моделей (релеевское рассеяние, теория РДГ, приближение аномальной дифракции, для частиц малых размеров также будет использовано приближение анизотропной эффективной среды в моделях Максвелл-Гарнетта и Бруггемана (модифицированные с учетом размера частиц). Рассмотрение влияния межчастичных взаимодействий на оптические эффекты в исследуемых композиционных материалах во внешних полях путем анализа парной и многочастичной корреляции дисперсных частиц. 4. Анализ динамики и гидродинамической неустойчивости ограниченных объемов магнитного коллоида (отдельных микрокапель) под действием внешних электрических и магнитных полей на основе теории линейных возмущений, предполагающей совместное решение уравнений электрогидродинамики и феррогидродинамики. Кроме теоретического анализа предполагается использовать методы математического моделирования и численные расчеты на основе компьютерных программ. Будет осуществляться численное моделирование оптических свойств исследуемых систем.