КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-72-10033

НазваниеРеологические свойства суспензий нанокомпозитных магнитных частиц

РуководительНовак Екатерина Владимировна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словананокомпозитные магнитные частицы, магнитные полимеры, магнитные микрогели, магнитные коллоиды, реологические свойства, компьютерное моделирование, сдвиговое течение, течение Пуазейля, молекулярная динамика

Код ГРНТИ29.19.22, 29.03.77

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Вдохновленные живой природой, ученые представили биомиметические микроматериалы, способные выполнять определенное, направленное или автономное движение путем преобразования различных форм энергии (химической, электромагнитной, электрохимической) в чистое движение [1]. Большой интерес к данной теме обусловлен не только фундаментальной научной важностью, но и тем, что она может произвести революцию в критических технологиях в микрогидродинамических и микроэлектромеханических системах, а также для разработки приложений для доставки лекарств и датчиков. Существует ряд факторов, которые существенно отличают движущиеся структуры микромасштаба от макроскопических объектов. Во-первых, исключаются традиционные механизмы плавания, основанные на обратимом движении. Это описано в «Теореме о гребешке» Перселла [2], которая утверждает, что для микромасштабного движения требуется нарушение симметрии либо в геометрии объекта, либо во времени. Во-вторых, приходится конкурировать с броуновским движением. В то время как для объектов микронного размера это может уже серьезно мешать достижению управляемого движения, для объектов субмикронного масштаба традиционные механизмы движения, основанные на анизотропии частиц, обычно оказываются либо не эффективными, либо экспериментально трудно наблюдаемыми. В природе эта проблема решается ограничением движения транспортеров субмикронного размера по определенным путям, например, моторного белка кинезина [3]. В искусственных системах эта конкуренция либо должна быть тщательно сбалансирована, либо необходимо вводить внешний направляющий потенциал. Многие из доступных систем с наномоторами основаны на химических реакциях, происходящих в водной или полярной среде [4-8]. Несмотря на быстро развивающиеся исследования в области активных коллоидных частиц, очевидного решения для наноразмерных объектов пока не найдено. Однако, существует уже несколько примеров систем микронного размера, в которых добавление магнитной компоненты и приложение внешнего магнитного поля может кардинально улучшить направленность движения [9-11]. Более того, было показано, что супраколлоидные магнитные полимеры и другие анизотропные магнитные объекты могут быть активированы внешними полями специальной геометрии [12,13]. Опираясь на эти работы последнего десятилетия и наши наработки последних трех лет, можно сформулировать основную задачу: найти оптимальное расположение и тип наномоторов для наноразмерных магнитных композитных частиц — наногелей, частиц типа “multicore”, кластеров магнитных супрамолекулярных полимеров и эллипсоидальных частиц для их направленного транспорта в жидких носителях различной вязкости в присутствии и без гидродинамического течения. Уникальность задачи состоит не только в том, что эти системы с активной компонентой являются неизученными, но и то, что мы обладаем всем необходимым материалом для оптимизации транспорта. Так, например, по итогам первых трех лет, мы знаем их магнито-реологический отклик на приложенное поле в широком диапазоне параметров. Более того, мы точно выявили особенности таких частиц, которые как способствуют высокой восприимчивости к магнитным полям, так и препятствуют эффективному контролю. Такое продолжение проекта кажется не только интересным, но и невероятно своевременным, потому что в данный момент активность в мягких материалах развивается очень интенсивно, а также имеет обобщение на макроскопические масштабы. 1. C. Bechinger et al, Rev. Mod. Phys. 88, 2016. 2. E. M. Purcell, Am. J. Phys 45, 1977. 3. R. Lipowsky et al, Physica A 372, 2006. 4. D. A. Wilson et al, Nanoscale 5, 2013. 5. U. K. Demirok et al, Angew. Chem. Int. Ed 120, 2008. 6. C. Stock et al, Chem. Eur. J. 14, 2008. 7. D. Pantarotto et al, Chem. Commun. 0, 2008. 8. P. de Buyl et al, Nanoscale 5, 2013. 9. L. Baraban et al, ACS Nano 7, 2013. 10. L. Baraban et al, Nanoscale 5, 2013. 11. A. A. Solovev et al., Adv. Func. Mat. 20, 2010. 12. R. Dreyfus et al., Nature 437, 2005. 13. P. Tierno et al., J. Phys. Chem. B 112, 2008.

Ожидаемые результаты
Отсутствие эффективного рецепта для создания активных наноразмерных частиц — наночастиц с мотором, преобразующим химическую энергию в кинетическую, связано не только с экспериментальными трудностями, но и с тем, что тепловая энергия в таких системах по масштабу сравнима с кинетической, а значит очень сложно минимизировать хаотичность самодиффузии активных частиц такого размера и обеспечить направленность движения. Однако, именно эта направленность и представляется наиболее значимой для создания нано-реологических устройств нового поколения, применимых в робототехнике и медицине. Нами будет предложен метод компьютерного моделирования, позволяющий исследовать нанокомпозитные магнитные частицы с наномотором в жидком носителе. Этот метод будет универсальным для широкого класса композитных частиц и будет применим также к описанию поведения в каналах с гидродинамическим течением. Используя данный метод, нами будут предложено несколько способов закрепления наномоторов на композитных магнитных наночастицах. Для частиц типа “multicore” нами будет выявлено оптимальное соотношение распределения и количества моторов по поверхности с одной стороны и направленного транспорта — с другой. Для эллипсоидальных магнитных частиц будет получено соотношение между направлением, задаваемым наномотором, его расположением на поверхности эллипсоида и направлением внутренней намагниченности. Для кластеров из магнитных супрамолекулярных полимеров различной топологии мы выясним, возможно ли расположением наномотора в сочетании с внешним магнитным полем динамически изменять внутреннюю структуру этих кластеров, а значит — контролировать отклик на магнитное поле и влиять на поведение в канале. Наконец, для магнитных наногелей будет реализован метод создания мягких композитных частиц типа Януса, где часть наногеля будет функционализирована наномоторами; отдельно будет рассмотрена возможность термоактивации — часть наногеля будет расширяться при нагреве, провоцируемом вращением магнитных частиц в переменном магнитном поле. В заключении будут проведены сравнения эффективности направленного транспорта для всех четырех классов новых магнитных активных композитных коллоидов и определены кандидаты для экспериментальных исследований, а в последствии и для создания новых критических технологий.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Для эффективной реализации проекта коллективом была разработана модель эллипсоидальной магнитной частицы, на поверхности которой заданным образом расположено желаемое число наномоторов, задающих скорость в указанном направлении. Также разработан метод моделирования стохастической динамики ансамблей суперпарамагнитных нанокластеров (композитных наночастиц типа «multicore») в жидкости в присутствии постоянного и/или переменного магнитного поля. Разработка и реализация моделей была проведена на базе открытого пакета молекулярно-динамического моделирования ESPResSo. Это позволило легко совместить модели с уже существующим в пакете богатым функционалом. Изучение основных принципов формирования кластеров из частиц типа «multicore» без активной компоненты оказалось необходимым на данном этапе для формирования образца сравнения при добавлении впоследствии к этим системам активных моторов. С помощью компьютерного моделирования методом молекулярной динамики, сопровождаемого аналитическими расчетами, нами были исследованы разбавленные суспензии магнитных наноразмерных частиц типа «multicore», состоящие из гранул, положение которых фиксировано внутри тела частицы, но их магнитные моменты могут свободно вращаться, что соответствует гранулам с пренебрежимо малой магнитной анизотропией. Самоорганизация таких частиц и ее влияние на магнитостатический отклик суспензий в нулевом поле рассматривались в двух разных масштабах. В результате первого года работы над проектом составлен список типов нанокомпозитных частиц, чьим транспортом можно наиболее эффективно управлять постоянным полем: это эллипсоиды с как минимум одним активным мотором на полюсе. При этом было выявлено, что наличие множественного числа моторов с одной стороны эллипсоида (т.е. при делении эллипсоида пополам вдоль экватора) и направлением скорости в одну сторону при обязательно угловой симметрии активных и пассивных частиц являются самым эффективно управляемым вариантом, что приводит нас к более детальному изучению частиц Януса в продолжении проекта, так как любой направленный транспорт наиболее эффективен в случае расположения активных моторов, полностью покрывающих половину частицы. В случае переменного поля вытянутый эллипсоид довольно трудно разворачивается по сравнению со сферической частицей типа «multicore», поэтому частица типа Януса «multicore» с довольно сильной внутренней магнитной анизотропией каждой из гранул, оказывается более подвержена влиянию переменного магнитного поля и её транспортом легче управлять, чем эллипсоидом. Для управления направленного транспорта потоком необходимы, наряду с магнитными взаимодействиями, дополнительные взаимодействия типа Леннарда-Джонса. Оказалось, что для такого рода систем Штокмайера, поток приводит к стабилизации таких кластеров и, как следствие, наличие у таких структур активного мотора может улучшить направленность и снизить диссипацию. При использовании комбинации внешнего поля и потока оказывается, что наиболее сильная деформация и изменение объекта наблюдаются в случае, когда поле сонаправлено с потоком. Таким образом, можно использовать комбинацию поля и потока только в том случае, когда изучаемый кластер образован не только за счет магнитных сил.

 

Публикации

1. Акишева А.В., Пьянзина Е.С. Микроструктура и макросвойства магнитных мягких материалов с анизотропными частицами Сборник научных трудов конференции, издательство Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина (Иваново), Стр.147-153 (год публикации - 2022)

2. Зверев В.С., Гупало М.А., Новак Е.В. Структурные свойства кластеров из супрамолекулярных полимеров с отдельными магнитными частицами Сборник научных трудов конференции, издательство Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина (Иваново), Стр.126-130 (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
С помощью компьютерного моделирования методом молекулярной динамики в программной среде ESPResSO 4.2 (https://espressomd.org/wordpress/) нами было изучено влияние активной компоненты на коллоиды различных типов: деформируемые коллоиды (наногели), коллоиды анизометричной формы, супрамолекулярные магнитные полимеры. Учитывая внутреннюю магнитную анизотропию и гидродинамические взаимодействия, была исследована суспензия эллипсоидальных частиц с активностью типа Януса для различных концентраций суспензий, чисел Пекле и напряженности внешнего магнитного поля, а также интенсивности магнитных взаимодействий. Было показано, что среди изучаемых коллоидов анизометричной формы, именно эллипсоиды демонстрируют большую восприимчивость к управляющим параметрам (магнитное поле, активная компонента, примесь). При этом нанесение активной компоненты на поверхность эллипсоидов должна осуществляться с высокой точностью. В ходе проекта разработана, реализована и исследована суспензия нанокомпозитных частиц типа "multicore" с различными параметрами, включая числа Пекле, напряженность внешнего магнитного поля, анизотропию магнитных гранул и размер активной области на поверхности частицы. Для активного транспорта деформируемых коллоидов (наногелей) во внешнем магнитном поле необходимо, чтобы вращательные степени свободы магнитных частиц были ограничены химическими связями с полимерной матрицей для обеспечения передачи вращающего момента магнитного поля на весь коллоид. Также необходимо не менее 15-20 процентов магнитных частиц по объему внутри наногеля, для стабилизации формы в потоке и магнитном поле. Для того, чтобы добиться активности наногеля необходимо добавление флагелл – функционализированных активной компонентой жестких полимерных жгутов (филаментов) с высоким содержанием магнитных частиц с максимально сильной внутренней магнитной анизотропией. Добавление активности в супрамолекулярные магнитные полимеры оказывается более эффективным, если в магнитных супрамолекулярных полимерах нет центрального притяжения, а вращательные степени свободы ограничены. Если же Ван-дер-Ваальс приводит к формированию компактных кластеров, то активная компонента приводит к усилению магнитного отклика и способствует разрушению кластеров в магнитном поле. Таким образом, основная задача проекта была решена и для каждого из типов коллоидов было найдено оптимальное расположение наномоторов, что позволит эффективно управлять транспортом данных нанокомпозитных магнитных частиц в жидких средах.

 

Публикации

1. Добросердова А.Б., Минина Е.С., Санчес П., Ликос К., Канторович С.С. Core-shell nanogels: the effects of morphology, electro- and magnetostatic interactions Soft Matter, - (год публикации - 2024)

2. Кузнецов А.А., Новак Е.В., Пьянзина Е.С., Канторович С.С. Multicore-based ferrofluids in zero field: initial magnetic susceptibility and self-assembly mechanisms Soft Matter, Том 19, стр. 4549-4561 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1039/D3SM00440F

3. Мостараc Д., Новак Е.В., Канторович С.С. Relating the length of a magnetic filament with solvophobic, superparamagnetic colloids to its properties in applied magnetic fields PHYSICAL REVIEW E, Том 108, стр. 054601-1-12 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevE.108.054601

4. Новиков И.С., Зверев В.С., Новак Е.В., Канторович С.С. Stockmayer supracolloidal magnetic polymers under the influence of an applied magnetic field and a shear flow Journal of Molecular Liquids, Том 384, стр.122229-1-11 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.122229

5. Добросердова А.Б., Канторович С.С. Компьютерное моделирование методом молекулярной динамики магнитных свойств магнитных эластомеров с учетом необратимых деформаций и полидисперсности фракционного состава магнитных частиц -, 2023680971 (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
В контексте научного проекта возможности практического использования результатов становятся достаточно обширными и перспективными: Формирование новых стандартов в области магнитных мягких материалов: Полученные результаты могут служить основой для разработки новых стандартов и регулирований в области магнитных мягких материалов. Это важно для обеспечения качества и безопасности промышленных и медицинских применений этих материалов. Вклад в развитие биомедицинских технологий: Проект не только расширяет фундаментальное понимание магнитной динамики, но и вносит существенный вклад в развитие биомедицинских технологий и материаловедения. Его результаты перспективны для инноваций в области доставки лекарств, гипертермии и детекции в нанофлюидике. Таким образом, в ходе проекта нами был разработан комплексный исследовательский подход, имеющий высокий потенциал внедрения результатов в практику. Эти результаты могут быть успешно включены в хозяйственную деятельность предприятий Российской Федерации, способствуя экономическому росту и социальному развитию.