在现代科技的迅速发展中，磁性液体作为一种特殊的智能材料，因其能在外加磁场下迅速改变自身力学性质而受到广泛关注，特别是在精密制动系统、震动控制及目标导向药物输送系统等领域。然而，传统的磁性液体数值模型多依赖于均匀分布的球形颗粒进行模拟，这虽然在初期为我们理解磁性液体的基本性质提供了便利，但因其忽略了磁性颗粒本身形状在磁场作用下可能形成的链状或更复杂的结构，限制了对磁性液体微观复杂行为的准确预测和深入理解。因此，亟需开发一种新的模型，能够准确捕捉非球型磁性颗粒在磁场下的复杂相互作用和材料本身磁流变性能的变化。
中国科学技术大学龚兴龙教授团队报告了一种基于修正的分子动力学和磁偶极子相互作用构建的针对纳米球链磁性流体的数值模型。通过多组模拟，该研究不仅揭示了纳米球链的长细比和几何尺寸对宏观磁流变效应的影响，还建立了纳米球链的几何参数与其介观结构形成之间的联系。最终，该研究确定的纳米球链最佳几何参数是长细比为7、粒径为20 nm。另外，与传统的球颗粒模型相比，该模型成功地将预测误差减少了3.883倍。相关研究以“Nanosphere Chain Model of Magnetic Fluid and Its Dynamic Performance”为题发表于最新一期《Langmuir》上，论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生王康，通讯作者为龚兴龙教授和邓华夏教授。
【数值模拟方法的构建】
与传统的基于球形颗粒的模型不同，本模型采用纳米球链作为基础计算单元。在同一纳米球链内，纳米球通过磁偶极相互作用力结合在一起，忽略了排斥力和范德华力，整个球链被视为一个不可破坏的刚体。而在不同纳米球链之间，则考虑了它们的旋转和横向碰撞交互。在每次模拟中，通过调整球链中纳米球的数量，来改变球链颗粒的长细比。模拟初期，所有纳米球链均沿z轴排列，随后在z轴方向施加稳定的剪切流，促使结构开始变化，直到整个系统达到动态平衡。最终，该模型综合考虑了磁偶极力、范德华力、弹性挤出力和流体粘滞阻力，在x-y平面的上下边界处应用了周期性边界条件以模拟连续体。
图1 模拟的基本设置参数和纳米球链的示意图
【数值模型的误差分析】
为了验证模型的准确性，分别模拟了含有细长的DTM/MS2磁性颗粒和棒状颗粒的磁性流体。DTM/MS2磁性颗粒的平均长度被设定为631 nm，长细比为5；棒状颗粒的平均长度被设定为5 μm，长细比为8。模拟在300K温度和7%体积分数下进行，磁场强度从0.1到10 kOe进行变化。对于棒状颗粒，在1.1、2.2和3.3 kOe的磁场下进行了模拟。此外，还额外构建了一个基于球形颗粒的传统模型进行比较。为了保持模拟体积和质量分数，模型中的颗粒数量与链模型相同，其他参数也保持与链模型相同，唯一改变的是模型的计算单元，一个将颗粒视为球形，另一个将颗粒视为链条。两个模型的模拟结果与文献报告的实验结果进行了比较，球链模型成功地将平均预测误差减少了3.883倍。
图2 模型的误差分析
【模拟参数对材料磁流变性能的影响】
通过修改球链的长细比，该工作首先研究了长细比对材料磁流变性能的影响。如图3a所展示，长细比在2至10的范围内只有一个峰值。当长细比达到7时，基于纳米球链的磁性流体显示出了最大的剪切应力。根据长细比不同，球链可分为三种类型：短链（长细比2至4）、中长链（长细比5至7）和长链（长细比大于7）。在短链区间，随着长细比的增加，剪切应力稳定增长，其中直径20nm的球链剪切应力增长最显著，平均剪切应力从235Pa提升至562Pa，增幅达139%。同时，介观结构的倾斜角度减少，其径向分布函数缓慢上升（图3c）。对于中长链，剪切应力的增加速度减缓，甚至略有下降，而径向和倾斜角度分布函数的增长缓慢。而在长链情况下，剪切应力开始降低，平均倾斜角度也随之减少。当长细比为7时，球链的倾斜角度最接近理想倾斜角度（图3b），此时纳米球链达到了最大剪切应力。此外，不同长细比对平均分子势能的影响也进行了分析，结果显示不同长细比下平均分子势能没有显著变化（图3d）。
图3 颗粒长细比对宏观性能和介观结构参数的影响
同时分析颗粒长细比对自身属性的影响时发现，随着长细比的增加，磁偏转力矩呈现近线性增长，而旋转速度以二次函数曲线减小（图4a）。在低长细比下，旋转速度大于剪切速率。随着模拟的进行，具有更强磁偏转力矩的纳米球链会构建更垂直的微观结构。在高长细比下，剪切速率强于旋转速度。此时，具有较大旋转速度的纳米球链有更小倾斜角度的更高概率。同时，流体分层现象也直接影响材料的宏观性质。为了将分层现象进行定量分析，模拟区域被平均划分为100个子区域。通过计算每个子区域的体积分数，得到磁性流体的分层程度参数。如图4b所示，随着长细比的增加，分层程度线性增加。高度分层程度会导致局部体积分数过小从而引起材料磁流变效应的降低，这可以解释当长细比超过7时剪切应力的减小。
图4 颗粒长细比对颗粒自身力学参数和介观结构分层程度的影响
之后，通过修改颗粒的粒径大小，对不同几何尺寸的磁性液体颗粒进行了研究。如图5a所示，随着纳米球的尺寸增加，剪切应力增加并在长细比1和2时达到稳定值。在较大长细比的情况下，剪切应力在20nm处达到峰值，然后下降至稳定值。通过观察平均倾斜角度的变化图（图5b），可以看出平均倾斜角度随着纳米球直径的增加而减小。这个结果对于20nm和30nm的纳米球链来说，是最接近理论最佳角度的。图5c和5d显示，随着直径的增加，聚集度逐渐降低。可以看出，三个峰值在20nm时达到最大，证明了此时的微观结构具有良好的紧凑性。在20nm时，由于倾斜角度和微观结构的紧凑性都处于良好状态，剪切应力达到了最大值，与静止状态相比有103%的提升（从322Pa提高到654Pa）。
图5 颗粒粒径对宏观性能和介观结构参数的影响
最终，文章还探讨了剪切速率对材料磁流变性能的影响。纳米球链的剪切应力随剪切率的增加而增加，显示出典型宾汉流体的性质，响应时间则随剪切率的增加而减少。介观结构方面，纳米球链在不同剪切率下均为柱状结构，颗粒的平均倾斜角度随速率的增大而增大，该变化趋势与剪切应力保持一致，而粒子的聚集程度则受到剪切速率的影响较小。
图6 剪切速率对宏观性能和介观结构参数的影响
本研究成功开发了一种新型的基于纳米球链的颗粒动力学模型，深入讨论了纳米磁性颗粒自身几何参数对宏观力学性能和介观结构形成的影响。通过深入探索纳米球链的长细比和几何尺寸对磁性液体性能的影响，本研究揭示了优化这些参数以提升磁流变效应的可能性。最后，本研究确定了最优的长细比和几何尺寸参数，为设计高性能磁流变材料提供了重要的参考。
原文链接
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
