Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В отчетном году выполнения проекта РНФ была изготовлена и аттестована серия ферромагнитных микропроводов в стеклянной оболочке с цилиндрической симметрией, с металлической жилой различных диаметров и составов из сплавов на основе Fe, FeCo и Со с различными концентрациями Fe и Co, с различным отношением диаметра металлической жилы и общего диаметров микропровода для реализации двух типов бесконтактного манипулирования магнитными нано- и микро частицами. Первый – инжектирование, захват и удержание одиночной доменной границы, а также способов управления ее распространением вдоль магнитно бистабильного микропровода для манипулирования посредством воздействия на объект полями рассеивания этой доменной стенки ,второй - реализация регулируемого движения нано- и микрообъектов с помощью полей рассеяния, возникающих на концах аморфных ферромагнитных микропроводов. Также методами магнетронного и электронно-лучевого напыления, и с помощью метода лазерной абляции тонкоплёночной структуры на подложку через предварительно изготовленную маску были изготовлены планарные микропровода из неферромагнитных материалов для реализации 2D и 3D движения нано- и микрообъектов (в том числе биологических) с помощью вихревого магнитного поля, создаваемого электрическим током в проводящих планарных и цилиндрических микропроводах, расположенных в специально разработанной геометрии. Были проведены исследования структурных и магнитных свойств ферромагнитных микропроводов и определены их оптимальные параметры для реализации заявленных типов манипулирования. Таким образом, были сформулированы задачи по производству микропроводов на второй год. Для планарных микропроводов был определен лучший метод изготовления (Electro beam evaporation) и конфигурация для реализации токового пинцета. Были проведены теоретические расчеты по оценки сил, действующих на объекты со стороны проводов, то есть показана принципиальная работоспособность разрабатываемых манипуляторов. Также была разработана и реализована возможность инжектирования, захвата и удержания доменной стенки в индукционном экспериментальном комплексе для изучения динамики движения доменной границы. Был собран соответствующий модуль и сопряжен с уже имеющейся установкой. На втором году с помощью этого модуля планируется изучать захват и удержание одиночной доменной границы в бистабильных железных микропроводах. По итогам проведенных работ также была выявлена необходимость модернизации установки по измерению коэффициента магнитострикции, чтобы появилась возможность исследовать частично кристаллизованные микропровода.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В отчетном году выполнения проекта РНФ были продолжены работы по реализации трех подходов к манипулированию нано- и микрообъектами. Для реализации первого подхода необходимо изучить механизмы инжектирования, захвата и удержания одиночной доменной границы, а также способы управления ее распространением вдоль магнитно-бистабильного микропровода. В этом подходе манипулирование будет осуществляться посредством воздействия на объект полями рассеивания этой доменной стенки. Для продвижения подхода на втором этапе реализации проекта были определены внутренние и внешние факторы, способные влиять как на изменение скорости доменной стенки, так и на изменение ее подвижности. Установлен как критический параметр – внутренние механические напряжения в металлической жиле провода, так и механизмы влияния на него. Впервые показано, что микропровода с одинаковыми размерами могут обладать существенно отличающимися магнитостатическими и магнитодинамическими свойствами, что обуславливается различными внутренними механическими напряжениями металлической жилы, сформированными при различных комбинациях технологических параметров – скорость смотки и температура затвердевания расплава. Кроме того, была рассчитана, разработана, собрана и протестирована установка для инжектирования, захвата и удержания доменной стенки типа head-to-head. Второй подход - реализация регулируемого движения нано- и микрообъектов с помощью полей рассеяния, возникающих на концах аморфных ферромагнитных микропроводов. Было исследовано влияние снятия стеклянного покрытия и нанесения ферромагнитного покрытия на изменение магнитостатических и магнитоупругих свойств микропроводов. Преимуществ систем по сравнению с магнитнооднофазным микропроводом в стеклянной оболочке не выявлено. Были изготовлены микропровода, обладающие необходимыми магнитномягкими свойствами. Процессы перемагничивания были исследованы как вблизи концов микропроводов, так и вдали от них. Понимание процессов перемагничивания на конце микропровода и изменение микромагнитной структуры (которая так же была исследована с помощью Керр-микроскопа) необходимы для прецизионного контроля полей рассеяния концов микропроводов. Экспериментально подтверждена эффективность реализации манипулятора, использующего этот принцип, на системе манипулятор – микропровод, объект манипулирования - микробусина. Оценена оптимальная рабочая область – 500 мкм^2 . Третий подход – реализация захвата объекта манипулирования с помощью вихревого магнитного поля, создаваемого электрическим током в проводящих планарных микропроводах, расположенных в специально разработанной на первом этапе геометрии – был апробирован на системе клеточных культур с наночастицами. Определены оптимальные параметры системы планарных проводов и режимов их включения для максимальной концентрации наночастиц в заданной области при сохранении жизнеспособности клеток.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В 2019 году все заявленные по проекту работы выполнены в полном объеме. В том числе, для экспериментального изучения особенностей распространения доменной стенки в магнитно бистабильных микропроводах, в том числе, реализации ее замедленного движения, была собрана установка. Было обнаружено, что даже в отсутствии внешнего воздействия, доменная граница ускоряется во время распространения вдоль оси микропровода при наличии сильно неоднородного распределения полей зарождения. Для объяснения полученного эффекта была предложена теоретическая модель. Для ее построения был использован системный аналитический подход к задаче поиска частных решений непрерывной модели Гейзенберга. Как результат, построено частное стационарное решение уравнения Ландау-Лифшица с учетом зависимости коэффициента анизотропии от расстояния до оси симметрии. Общее решение линейного уравнения, учитывающего усредненное нуклеационное поле (полученное экспериментально из измерений распределения полей зарождения вдоль оси микропровода), содержит часть, которая является решением неоднородного уравнения и при малых значениях коэффициента анизотропии служит теоретическим подтверждением наличия ускоренного движения доменной стенки при наличии существенных неоднородностей распределения полей зарождения доменной границы вдоль оси микропровода. Установлен эффективный способ замедлить доменную стенку – приложение дополнительного внешнего локального магнитного поля. Были созданы прототипы перспективных манипуляторов. Для этого предварительно были проанализированы экспериментально и теоретически как завяленные подходы для реализации манипулирования клетками, предварительно «помеченными» магнитными частицами, посредством воздействия на них магнитными силами, так и предложен новый метод диамагнитного захвата непосредственно самой клетки, не отягощенной магнитными частицами. Для создания пинцета 1D на основе микропровода, поле рассеяния должно быть максимально сильным. Расчетная сила, действующая на условную суперпарамагнитную частицу диаметром 100 нм и восприимчивостью 104, расположенную на расстоянии одного радиуса провода, составляет ~60 нН для используемых параметров микропровода, что достаточно для манипулирования, в том числе, магнитомеченной клеткой. Градиент поля определяется поперечным сечением провода, поэтому провода малого диаметра предпочтительнее для большей эффективности. В то же время, это уменьшает рабочую зону, и, следовательно, необходимо определить оптимальный объём для реализации манипулирования. С учетом особенностей поведения клеток, экспериментальный подход в данном случае представляется наиболее эффективным. Провода из сплава на основе Fe, имеющие два магнитно-стабильных состояния и более высокую намагниченность насыщения, создают более сильные поля рассеяния в присутствии небольшого поля переключения, что делает их перспективными для реализации 1D манипулятора. С другой стороны, для 2D-манипулирования использование микропроводов из сплава на основе Co более выгодно из-за возможности прецизионного контроля величины их магнитного момента от внешнего магнитного поля.