Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Предварительная сшивка магнитных мономеров с центральным притяжением в полимерные структуры различной топологии не меняет основной тенденции жидкости Штокмейера к фазовому переходу. Изучив, однако, асферичность и анизотропию агрегатов из полимеров, мы обнаружили, что наиболее сферичной формой обладают кластеры из Y и Х структур, в то время как кластеры, образованные кольцевыми структурами, могут принимать очень широкий диапазон форм. Кластеры из цепочечных структур оказываются по свойствам очень близкими к кластерам из одиночных штокмайеровских частиц, однако уступают последним по размеру при одинаковых условиях. Наибольшее влияние топологии полимерных структур было выявлено на уровне внутренней структуры кластеров: цепочки смешиваются и переплетаются, в то время как внутренняя структура кластеров образованных Y-подобными и X-подобными структурами напоминает луковицу. Первые исследования поведения различных кластеров в поле и сдвиговом течении выявили важность внутренней структуры и ее влияние на динамику деформации и распада кластеров. Создание модели микрогеля со случайным распределением сшивок оказалось очень важным для исследования его магнитных, механических и реологических свойств. Была проведена количественная оценка того, как наличие упругих сил препятствует кластерообразованию из магнитных наночастиц, внедренных в гели. Даже небольшое количество сшивок внутри микрогеля – микрогель очень рыхлый и не обладает ярко-выраженной сферической формой – приводит к тому, что магнитные частицы могут образовывать агрегаты только при интенсивности дипольных сил в пять и более раз превышающие тепловые флуктуации. В жидком носителе этот порог составляет порядка трех. Однако если дипольные силы достаточно велики, то наличие сшивок приводит к увеличению локальной плотности магнитных частиц, что проявляется в бОльших размерах кластеров и их неэкспоненциальном распределении длин в сравнении с частицами в жидком носителе. Влияние сдвигового течения усиливается наличием сшивок в микрогеле, что приводит к активному разрушению кластеров магнитных частиц. «Модель яйца» Шлиомиса-Степанова, хорошо известная в физике суперпарамагнетизма, была модифицирована для моделирования неравновесных свойств кластерных магнитных наночастиц (multicore magnetic nanoparticles), взвешенных в вязкой среде. Численно было показано, что в разбавленной суспензии таких частиц, как и в традиционных феррожидкостях, возможен магнитовязкий эффект, т.е. обратимое увеличение эффективной вязкости системы при помещении её в однородное магнитное поле. Выявлена зависимость магнитовязкого эффекта от интенсивности диполь-дипольных взаимодействий между отдельными гранулами кластерной частицы – с увеличением параметра диполь-дипольных взаимодействий (как и с увеличением концентрации гранул) вязкость суспензии снижается. Был разработан и запущен сайт проекта: https://sites.google.com/view/reonanomag.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
На данном этапе исследования мы проанализировали влияние приложенного магнитного поля на форму, целостность, магнитный отклик и микроструктуру композитных частиц, состоящих из магнитных полимеров. Как и ожидалось, на макроскопическом уровне магнитный отклик кластеров, образованных из магнитных полимеров типа кольцо, очень слаб. Была изучена деформация кластера из магнитных полимеров в микроканале под действием двух типов течения, а также магнитного поля. Определены диапазоны скоростей, при которых, в присутствии сил центрального притяжения, происходит распад кластера. Также исследовано изменение формы и намагниченность кластеров из магнитных полимеров. Изучено влияния агрегации магнитных частиц на диффузию. Для изучения коэффициента самодиффузии были построены теоретические модели в объеме и плоском слое для бидисперсных магнитных систем, а также методом молекулярной динамики реализованы компьютерные эксперименты. Оказалось, что как в объеме, так и в тонком слое, наблюдается рост коэффициента самодиффузии с увеличением объемной доли мелких частиц. Данный рост объясняется снижением средней длины цепочечных агрегатов: коротким цепочкам легче передвигаться в жидкости-носителе. Кроме того, для трехмерных систем была выявлена особая роль частиц мелкодисперсной фракции. Если раньше для описания микроструктуры таких систем использовать три основные класса цепочек и одиночные мелкие частицы, то для описания коэффициента самодиффузии необходимо рассматривать цепочки из мелких частиц. Методом Ланжевеновской динамики исследовались равновесные термодинамические свойства суспензии суперпарамагнитных нанокластеров («multicore nanoparticles» в англоязычной литературе). Начальная магнитная восприимчивость системы была посчитана для различных значений параметра диполь-дипольных взаимодействий в системе и объёмной доли нанокластеров. Было показано, что в широком диапазоне параметров полученные численные данные могут быть точно описаны в рамках теории Иванова-Кузнецовой-Субботина, первоначально предложенной для описания свойств магнитожидкостных эмульсий. Вне своей области применимости теория даёт заниженные значения магнитного отклика. Расхождение теории и моделирования были объяснены началом интенсивной агрегации в суспензии (в рамках теории возможность агрегации не учтена). С помощью кластерного анализа полученных численных данных показано, что микроструктура суспензии нанокластеров в поле отличается от микростуркутры традиционных ферроколлоидов и качественно напоминает микроструктуру магнитореологических жидкостей. Исследования суспензий магнитных микрогелей выявило механизм кластеризации в таких системах посредствам построения межгелевых мостиков из магнитных частиц – происходит слияние кластеров магнитных частиц в соседних микрогелях. На поведение микрогеля в канале со сдвиговым течением неожиданно сильным оказалось влияние стенок. Сгущение линий тока, вызванное приближением микрогеля к стенке приводит к отталкиванию как от подвижной, так и от неподвижной стенок, что для отдельных полимеров не так характерно. В итоге стационарным положением для геля оказывается центр канала, где гель движется поступательно, при этом вращаясь вокруг центра масс и демонстрируя периодическое удлинение-сокращение.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На данном этапе нами был разработан специальный метод для моделирования полидисперсных магнитных полимеров. Нам не только удалось выявить наиболее вероятные микросостояния путем непосредственного пересчета появлений того или иного массива за время компьютерного моделирования, но и выяснить, какое микросостояние обусловлено энтропией, а какое энергией. Дополнительно используя метод Parallel tempering, мы получили следующие результаты: присутствие малых частиц резко меняет не только структурные переходы, происходящие в магнитных полимерах при охлаждении, но магнитный отклик этих систем. Мелкие частицы эффективно сдвигают замыкание магнитного потока внутри полимеров либо в сторону более высоких температур, если они находятся в середине структуры, либо в сторону более низких, если они образуют отрытый конец. В обеих конфигурациях мелкие частицы приводят к увеличению конфигурационной энтропии. Исследования структуры и магнитных свойств для слабомагнитных полимеров, показали, что кластеры при фазовом расслоении оказываются более крупных размеров, чем для полностью магнитных аналогов (как и в случае несшитой жидкости Штокмайера), при этом структура, наведенная топологией изначальных магнитных полимеров практически полностью стирается, так же как и упорядочение магнитных моментов в кластере. Исследования кластеров из магнитных полимеров в потоках различной геометрии позволили раскрыть сложные взаимосвязи между силами внутри кластера и внешними воздействиями гидродинамических и магнитных сил. Мы обнаружили, что сдвиговое течение стабилизирует форму кластеров, не позволяя им вытягиваться в направлении поля и распадаться на составляющие полимеры. Стабилизирующий эффект особенно силен для кластеров с линейной топологией, «цепочек». Независимо от напряженности и направления поля кластеры вовлекаются во вращательное движение, сопровождающееся периодическим изменением формы с частотами, определяемыми топологией кластеров магнитных полимеров. На данном этапе работы также был разработан алгоритм для моделирования суспензии из магнитных наногелей в сдвиговом течении. В нем, в отличие от предыдущего этапа, использовались методы "Частица–Частица–Частица–Сетка" (P3M) с коррекцией диполярного слоя (DLC) для расчета диполь-дипольных взаимодействий. Данный подход позволил рассчитать, как меняется средняя частота вращения геля в суспензии в зависимости от ее концентрации. В ходе работ были определены реологические особенности геля в зависимости от его топологии. Разработана модель магнитного микрогеля со сложной структурой типа ”core + shell”, то есть состоящей из основного ядра и оболочки. В результате проведения компьютерных экспериментов обнаружено формирование кластеров из магнитных частиц, наполняющих либо только ядро микрогеля, либо ядро и оболочку. Отклик умеренно-концентрированной суспензии магнитных кластерных наночастиц (magnetic multicore nanoparticles) на однородное внешнее поле был исследован теоретически и численно. Рассматривался как случай термодинамически равновесного намагничивания системы, так и её поведение в плоском слое при совместном действии поля и сдвигового потока. Было установлено, что магнитные диполь-дипольные взаимодействия двояко влияют на равновесные кривые намагничивания суспензии. С одной стороны, сильное размагничивания однодоменных гранул в объёме нанокластера ведёт к тому, что намагниченность системы всегда остаётся ниже соответствующего значения намагниченности в приближении идеального суперпарамагнитного газа. С другой стороны, магнитные взаимодействия между различными кластерами в достаточно сильных полях способны привести к объединению кластеров в цепочечные агрегаты. Это в свою очередь ведет к аномальному увеличению магнитных момент кластеров и появлению на кривых намагничивания S-образных изгибов, не характерных для традиционных ферроколлоидов. Исследование магнитореологического отклика в сдвиговом потоке проводилось для случая больших вращательных чисел Пекле (Pe > 1) и магнитного поля, лежащего в плоскости сдвига. Было установлено, что в общем случае стационарный вектор намагниченности суспензии не параллелен полюю Известно, что именно неравновесная компонента намагниченности, перпендикулярная полю в сдвиговом потоке определяет величину магнитовязкого эффекта в ферроколлоидах. Нами было установлено, что величина неравновесной компоненты намагниченности плоского слоя суспензии по разному ведёт себя в зависимости от того, ориентировано ли поле вдоль слоя или перпендикулярно ему. В первом случае эта компонента падает с увеличением энергии магнитных диполь-дипольных взаимодействий. При нормальной ориентации поля, напротив, наблюдается слабый рост неравновесной компоненты намагниченности с ростом энергии взаимодействия.