Учёные нашли способ повысить однородность кристаллов, сформированных из магнитных частиц. Для этого магнитное поле перед сменой направления нужно повернуть немного больше чем на один полный оборот, выяснили исследователи Университета Райса.
Магнитные поля используют для того, чтобы направлять частицы и их скопления в упорядоченные структуры. Обычно поле вращают на 360 градусов, а затем разворачивают обратно, чтобы частицы не продолжали постоянно вращаться. Однако такой цикл не обеспечивает одинакового воздействия на все направления.
Причиной становится магнитная релаксация — небольшая задержка между изменением внешнего поля и реакцией магнитных частиц. Из-за этого одни ориентации фактически учитываются чаще других, и частицы начинают выстраиваться вдоль определённой оси. Даже при внешне симметричном воздействии возникает нежелательное направление сборки.
Теоретическую стратегию устранения этого эффекта разработал Тацуя Танака, приглашённый научный сотрудник Университета Райса и представитель японской компании Kao Corp. Исследование, опубликованное в Physical Review Research, показало, что дополнительная доля оборота компенсирует дисбаланс. При точно рассчитанном угле две частицы испытывают одинаковое среднее взаимодействие независимо от их ориентации, то есть взаимодействие становится изотропным — одинаковым во всех направлениях.
Авторы вывели общую зависимость, по которой можно определить необходимый дополнительный угол вращения. Он связан со временем релаксации частицы, характеризующим скорость реакции её намагниченности, и скоростью вращения магнитного поля. Численное моделирование подтвердило работоспособность метода с учётом взаимодействия частиц и их собственного вращения.
«Если вы хотите, чтобы частицы образовывали высокоупорядоченные кристаллы, сначала необходимо понять и устранить непреднамеренные смещения в их взаимодействии. Это даёт нам количественный способ сделать это», — заявила Сибани Лиза Бисвал, руководитель кафедры химической и биомолекулярной инженерии Университета Райса и автор исследования. По словам научного сотрудника её лаборатории Альдо Спатафоры-Салазара, достаточно рассчитать дополнительный поворот с учётом времени задержки частицы и скорости вращения поля, после чего задать этот параметр в эксперименте. Работа частично финансировалась Kao Corp. и программой DMREF Национального научного фонда США, сообщает Университет Райса.