03.07.2009
J. E. Martin, "Theory of Strong Intrinsic Mixing of Particle Suspensions in Vortex Magnetic Fields," Phys. Rev. E 79, 011503 (2009).
Strong Intrinsic Mixing In Vortex Magnetic Fields. James E. Martin, Lauren Shea-Rohwer, and Kyle J. Solis. Phys. Rev. E (to be published)
На рис: Магнитные микрочастицы выстраиваются в цепочки во вращающемся магнитном поле и перемешивают жидкость. (смотри видео:
http://focus.aps.org/story/v24/st1#videos)
Самособирающиеся в магнитном поле цепочки из частиц микронного размера могут перемешивать даже трудно смешиваемые жидкости в микронных канальцах во время миниатюрных химических исследований на чипах («lab-in-chip»). Ученые изучили, как проявляется такой эффект перемешивания при разных конфигурациях и значениях магнитного поля, чтобы найти самый эффективный способ использования магнитных бусинок для смешивания жидкости.
Когда магнитное поле направлено вертикально вверх, то магнитные частицы в жидкости объединяются в вертикальные «струны», и каждая частичка работает как крошечный магнит. Напротив, сильное магнитное поле, вращающееся в горизонтальной плоскости, разрушает вертикальные цепочки.
Несколько лет назад Джеймс Мартин (James Martin) с коллегами из Sandia National Laboratories in Albuquerque (New Mexico) наблюдали, как по-разному ведут себя магнитные частицы в жидкости под влиянием магнитного поля различной конфигурации. Ученые разработали устройство, в котором можно было изменять величину магнитного поля в трех перпендикулярных направлениях. И магнитные частицы повели себя непредсказуемо, мы увидели небольшой торнадо в растворе, рассказывает Мартин.
В журнале «Phys. Rev. E» ученые объяснили происхождение этого торнадо и описали его свойства. Они измерили вращающий момент, который создает магнитное поле в жидкости с помощью вращающихся цепочек частиц, по разнице скоростей потоков у соседних областей жидкости. Для этого Мартин с коллегами поместили частицы с железом размером 4-7 микрометров в 2 миллилитра этанола (бензинового спирта или этиленгликоля) и подвесили образец на тонком нейлоновом волокне. Затем они включили магнитное поле и измерили вращение пробирки, по которому определили вращающий момент жидкости.
Вот как ученые описывают полученные результаты. Вертикально направленное магнитное поле приводит к созданию цепочек, но не способствует их вращению. Вращающееся горизонтальное поле само по себе также вызывает небольшое смешивание жидкости, так как магнитные частицы в этом случае не образуют цепочек, а находятся в горизонтальной плоскости и при этом могут немного вращаться. При наложении магнитных полей обеих конфигураций, «мы получаем чрезвычайно сильное смешивание, даже при небольших по величине полях, которые могут даже взрывать стеклянный сосуд», объясняет Мартин. Направление этого объединенного «вращающего поля» кружится вокруг вертикальной оси сосуда – прецессирует, образуя поверхность конуса, и заставляет цепочки двигаться подобным образом.
Удивительно, но ускорение вращения поля не приводит к увеличению вращающего момента. Мартин это объясняет тем, что длинные цепочки при этом могут разрываться. Такая же неустойчивость цепочек приводит к тому, что на величину вращающего момента не оказывает влияния вязкость жидкости и размер частиц.
Ученые доказали, что использование даже слабых магнитных полей приводит к смешиванию жидкости в каналах микронного размера, которые обычно используются для анализа крошечных химических образцов.
http://focus.aps.org/story/v24/st1
