Цепочечные структуры в феррожидкостях 

А.Ю. Зубарев, Л.Ю. Искакова (Екатеринбург)

Многочисленные компьютерные и лабораторные эксперименты показывают, что частицы в феррожидкостях могут образовывать линейно-цепочечные кластеры. Эти цепочки способны оказывать сильное влияние на макроскопические, особенно динамические, свойства феррожидкостей, поэтому их исследование необходимо для понимания микроскопической природы свойств и особенностей поведения феррожидкостей в лабораторных и технологических условиях.

В работе рассматриваются следующие аспекты теоретического описания феррожидкостей с цепочками.

1. Феррожидкость как ансамбль цепочек. Рассматриваются модели, в которых учитываются и не учитываются тепловые флуктуации формы цепей. Построены функции распределения цепочек по размерам, проведено их сравнение для различных моделей.

2. Учет полидисперсности феррожидкости. Рассмотрена бидиспрсная модель феррожидкости, в которой «крупные» частицы объединены в цепочки, мелкие – свободны и образуют облака плотности вокруг цепочек. Показано, что в зависимости от размера и концентрации «средних» частиц, их присутствие может или заметно уменьшить или, наоборот, увеличить средний размер цепочек. Последний эффект может быть особенно сильным, если феррожидкость содержит в качестве примесей немагнитные коллоидные частицы, неадсорбирующиеся полимерные клубки и другие примеси.

3. Влияние цепочек на динамические свойства феррожидкостей. Исследование этого влияния выполнено в простейшей модели цепочек как прямых стержнеобразных агрегатов, распределение которых по размерам определено в первой части работы. При этом учитывалось, что в условиях сдвигового потока гидродинамические силы приводят к разрыву цепочек, оценивалась максимальная длина неразрушенной цепочки. Выполнен расчет зависимости стационарной вязкости феррожидкости от магнитного поля при различных градиентах скорости потока, а также частотных зависимостей компонент комплексной вязкости при разных значениях магнитного поля и градиента скорости течения. Теоретические результаты сравнивались с данными экспериментов группы С. Оденбаха (Бремен, Германия). Показано, что при разумном подборе размеров «крупных» частиц, образующих цепочки, и их объемной концентрации удается достичь хорошего согласия теории и эксперимента и объяснить гигантские магнитореологические эффекты, наблюдавшиеся в этих экспериментах.

Работа выполнена при поддержке фонда CRDF (грант № REC 005).