Влияние межчастичного взаимодействия в ансамбле неподвижных суперпарамагнитных феррочастиц на cтатические, магнитные и термодинамические свойства системы

Авторы

  • Сергей Александрович Сокольский Уральский математический центр, Уральский федеральный университет

DOI:

https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.3.22

Ключевые слова:

суперпарамагнитные частицы, свободная энергия Гельмгольца, вириальное разложение, ряды Майера, намагниченность, восприимчивость, теплоёмкость

Аннотация

Исследовано влияние межчастичного диполь-дипольного взаимодействия на статические, термодинамические и магнитные свойства ансамбля неподвижных суперпарамагнитных частиц, находящегося во внешнем магнитном поле. Релаксация магнитных моментов феррочастиц в модели происходила по неелевскому механизму. Направления осей лёгкого намагничивания всех частиц предполагались параллельными друг другу, но находились под углом к направлению действия внешнего магнитного поля. Ориентация осей описывалась с помощью полярного и азимутального углов. Потенциальная энергия изучаемой системы частиц включала в себя одночастичное диполь-осевое взаимодействие, одночастичное диполь-полевое взаимодействие и дальнодействующие межчастичные диполь-дипольные корреляции. Рассмотрены два варианта распределения феррочастиц по объёму цилиндрического контейнера: в узлах простой кубической решётки и случайным образом. Цилиндрическая модель изучена теоретически путём разложения свободной энергии Гельмгольца в классический вириальный ряд с точностью до второго вириального коэффициента. Для улучшения сходимости и упрощения вычислений предлагается использовать логарифмическое преобразование свободной энергии, поскольку итоговая функция в виде логарифма является гораздо менее чувствительной к ограничению числа слагаемых исследуемого ряда. С помощью этого подхода проведена оценка вклада диполь-дипольных взаимодействий в различные свойства исследуемой системы, в такие как начальная магнитная восприимчивость, статическая намагниченность и теплоёмкость. Для каждого параметра приводится графическая визуализация полученных результатов, позволяющая сравнить их при произвольном и кубическом распределении феррочастиц. Данное исследование предоставляет важную информацию, необходимую для разработки и синтеза новых магнитных материалов с контролируемыми свойствами.

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Библиографические ссылки


  1. Socoliuc V., Popescu L.B. Determination of the statistics of magnetically induced particle chains in concentrated ferrofluids // J. Magn. Magn. Mater. 2020. Vol. 502. 166532. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.166532

  2. Elkady A.S., Iskakova L., Zubarev A. On the self-assembly of net-like nanostructures in ferrofluids // Phys. Stat. Mech. Appl. 2015. Vol. 428. P. 257-265. https://doi.org/10.1016/j.physa.2015.01.053

  3. Pshenichnikov A.F., Ivanov A.S. Magnetophoresis of particles and aggregates in concentrated magnetic fluids // Phys. Rev. 2012. Vol. 86. 051401. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.86.051401

  4. Daffé N., Zečević J., Trohidou K.N., Sikora M., Rovezzi M., Carvallo C., Vasilakaki M., Neveu S., Meeldijk J.D., Bouldi N., Gavrilov V., Guyodo Y., Choueikani F., Dupuis V., Taverna D., Sainctavit P., Juhin A. Bad neighbour, good neighbour: how magnetic dipole interactions between soft and hard ferrimagnetic nanoparticles affect macroscopic magnetic properties in ferrofluids // Nanoscale. 2020. Vol. 12. P. 11222-11231. https://doi.org/10.1039/D0NR02023K

  5. Ilg P. Equilibrium magnetization and magnetization relaxation of multicore magnetic nanoparticles // Phys. Rev. B. 2017. Vol. 95. 214427. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.214427

  6. Pshenichnikov A.F., Kuznetsov A.A. Self-organization of magnetic moments in dipolar chains with restricted degrees of freedom // Phys. Rev. E. 2015. Vol. 92. 042303. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.92.042303

  7. Solovyova A.Yu., Kuznetsov A.A., Elfimova E.A. Interparticle correlations in the simple cubic lattice of ferroparticles: Theory and computer simulations // Phys. Stat. Mech. Appl. 2020. Vol. 558. 124923. https://doi.org/10.1016/j.physa.2020.124923

  8. Elfimova E.A., Ivanov A.O., Popescu L.B., Socoliuc V. Transverse magneto-optical anisotropy in bidisperse ferrofluids with long range particle correlations // J. Magn. Magn. Mater. 2017. Vol. 431. P. 54-58. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.09.051

  9. Ivanov A.O., Camp P.J. Theory of the dynamic magnetic susceptibility of ferrofluids // Phys. Rev. E. 2018. Vol. 98. 050602. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.98.050602

  10. Solovyova A.Yu., Elfimova E.A., Ivanov A.O., Camp P.J. Modified mean-field theory of the magnetic properties of concentrated, high-susceptibility, polydisperse ferrofluids // Phys. Rev. E. 2017. Vol. 96. 052609. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.96.052609

  11. Minina E.S., Blaak R., Kantorovich S.S. Pressure and compressibility factor of bidisperse magnetic fluids // J. Phys.: Condens. Matter. 2018. Vol. 30. 145101. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aab137

  12. Szalai I., Nagy S., Dietrich S. Comparison between theory and simulations for the magnetization and the susceptibility of polydisperse ferrofluids // J. Phys.: Condens. Matter. 2013. Vol. 25. 465108. https://doi.org/10.1088/0953-8984/25/46/465108

  13. Nagornyi A.V., Socoliuc V., Petrenko V.I., Almasy L., Ivankov O.I., Avdeev M.V., Bulavin L.A., Vekas L. Structural characterization of concentrated aqueous ferrofluids // J. Magn. Magn. Mater. 2020. Vol. 501. 166445. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.166445

  14. Lebedev A.V., Stepanov V.I., Kuznetsov A.A., Ivanov A.O., Pshenichnikov A.F. Dynamic susceptibility of a concentrated ferrofluid: The role of interparticle interactions // Phys. Rev. E. 2019. Vol. 100. 032605. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.100.032605

  15. Linke J.M., Odenbach S. Anisotropy of the magnetoviscous effect in a ferrofluid with weakly interacting magnetite nanoparticles // J. Phys.: Condens. Matter. 2015. Vol. 27. 176001. https://doi.org/10.1088/0953-8984/27/17/176001

  16. Pousaneh F., de Wijn A.S. Kinetic theory and shear viscosity of dense dipolar hard sphere liquids // Phys. Rev. Lett. 2020. Vol. 124. 218004. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.218004

  17. Elfimova E.A., Ivanov A.O., Camp P.J. Static magnetization of immobilized, weakly interacting, superparamagnetic nanoparticles // Nanoscale. Vol. 11. P. 21834-21846. https://doi.org/10.1039/C9NR07425B

  18. Балеску Р. Равновесная и неравновесная статистическая механика. М.: Мир, 1978. Т. 1. 408 с.

  19. Joslin C.G. The third dielectric and pressure virial coefficients of dipolar hard sphere fluids // Mol. Phys. 1981. Vol. 42. P.1507-1518.

  20. Wertheim M.S. Exact solution of the mean spherical model for fluids of hard spheres with permanent electric dipole moments // J. Chem. Phys. 1971. Vol. 55. P. 4291-4298. https://doi.org/10.1063/1.1676751

  21. Kalikmanov V.I. Statistical thermodynamics of ferrofluids // Phys. Stat. Mech. Appl. 1992. Vol. 183. P. 25-50. https://doi.org/10.1016/0378-4371(92)90176-Q

  22. Buyevich Yu.A., Ivanov A.O., Zubarev A.Yu. Statistical thermodynamics of ferrocolloids // J. Magn. Magn. Mater. 1990. Vol. 85. P. 33-36. https://doi.org/10.1016/0304-8853(90)90011-E

Опубликован

2021-09-30

Как цитировать

Сокольский, С. А. (2021). Влияние межчастичного взаимодействия в ансамбле неподвижных суперпарамагнитных феррочастиц на cтатические, магнитные и термодинамические свойства системы. Вычислительная механика сплошных сред, 14(3), 264–277. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.3.22

Выпуск

Раздел

Статьи