[论文解读] Interplay between particle microstructure, network topology and sample shape in magnetic gels -- A molecular dynamics simulation study

Rudolf Weeber, Christian Holm|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2017

Characterization and Applications of Magnetic Nanoparticles参考文献 40被引用 5

一句话总结

本分子动力学研究探讨了磁性凝胶中粒子微观结构、网络拓扑与样品形状之间的相互作用。通过模拟具有可调微观结构和拓扑的粗粒度铁凝胶，研究发现预先排列的（单轴）粒子构型能抵抗磁场诱导的团聚，并可覆盖形状驱动的形变；而网络拓扑显著影响交联过程中微观结构的稳定性。

ABSTRACT

Ferrogels, i.e., hydrogels loaded with magnetic nanoparticles, have the ability to deform in external magnetic fields. The precise shape of deformation and the alignment of the gel in the field, however, depend on the interplay of several factors. In this paper, we introduce a coarse-grained simulation model, which takes into account the configuration of magnetic particles in the gel, the sample shape, and aspects of the polymer network topology. We use this model to show that in gels with an isotropic microstructure, an external magnetic field reduces clustering, while this is not the case for uniaxial gels, in which the particle configuration is anisotropic due to the presence of a magnetic field during cross-linking. For ellipsoidal gels, we find that a uniaxial microstructure additionally can override the deformation and alignment expected as indicated the demagnetization energy. Finally, we examine to what degree gels with different network topologies maintain the particle microstructure ``frozen in`` during the cross-linking process.

研究动机与目标

• 理解粒子微观结构、网络拓扑与样品几何形状如何共同决定铁凝胶的磁性和力学响应。
• 通过在单一模拟框架中建模多种因素的相互作用，解决实验观察中的矛盾。
• 探究在交联过程中“冻结”形成的粒子构型在外加磁场下是否保持稳定。
• 考察不同聚合物网络拓扑如何影响磁性微观结构的稳定性。
• 确定样品形状在外部磁场下引导形变和粒子取向的作用。

提出的方法

• 采用粗粒度分子动力学模型，模拟体积分数为5%的磁性纳米粒子及偶极相互作用参数λ = 4的铁凝胶。
• 通过磁场下铁磁流体模拟生成粒子微观结构，以形成各向同性或单轴构型。
• 通过距离依赖的概率函数在粒子间施加谐波键来模拟交联，采用三种网络拓扑：窄、宽及末端连接的聚合物链。
• 模拟采用直接求和法计算偶极-偶极相互作用（因存在开放边界），并结合直接分子动力学与Metropolis蒙特卡洛运动以增强采样效率。
• 样品形状建模为球体、长椭球和扁椭球，通过惯性张量特征值追踪形变，以提取半轴长度和取向。
• 测量结果在200万次平衡步长后，对3000组样本（每组间隔1000个时间步长）取平均。

实验结果

研究问题

• RQ1 预先存在的单轴粒子微观结构在磁性凝胶中如何影响磁场诱导的团聚？
• RQ2 在外部磁场下，样品形状在多大程度上决定磁性凝胶的形变和粒子取向？
• RQ3 在交联过程中形成的粒子微观结构能否在外加磁场下保持稳定？网络拓扑如何影响这一过程？
• RQ4 网络拓扑——特别是粒子通过最优距离为零或非零的链连接——如何影响微观结构的稳定性？
• RQ5 单轴微观结构的存在是否能覆盖椭球形凝胶中由去磁能决定的预期形变？

主要发现

• 在各向同性微观结构中，外加磁场减少了粒子团聚，与磁场诱导分散一致。
• 在单轴微观结构（交联过程中在磁场下形成）中，即使在外加磁场下团聚仍被抑制，表明存在微观结构记忆效应。
• 对于具有单轴微观结构的椭球形凝胶，预先排列的粒子构型可覆盖由去磁能决定的预期形变。
• 网络拓扑显著影响微观结构稳定性：末端连接链模型比最优距离为零的模型更能保持微观结构。
• 交联概率分布影响初始微观结构在外加磁场下维持的程度。
• 椭球形凝胶的形变小于5%，验证了基于惯性张量的椭球近似在形状追踪中的有效性。