Caracterización de microestructuras formadas por coloides autopropulsados y superparamagnéticos bajo un campo magnético externo: dinámica browniana y análisis de escala
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Date
2018-04
Authors
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Publisher
Universidad Nacional de Trujillo
Abstract
Las microestructuras formadas por coloides magnéticos en ausencia o presencia
de un campo magnético externo juegan un rol clave en el diseño de nanomateriales
multifuncionales. En este trabajo hemos realizado simulaciones de dinámica
Browniana de una suspensión diluida compuesta por coloides superparamagnéticos
autopropulsados, con el objetivo de estudiar la interrelación entre la fuerza de
autopropulsión y la fuerza de interacción magnética en su proceso de agregación,
cuando la suspensión está sometida a un fuerte campo magnético externo. Este método
de simulación resuelve, numéricamente, las ecuaciones de balance de fuerzas
y de torques que resultan de aplicar la segunda ley de Newton al movimiento traslacional
y rotacional de partículas magnéticas con geometría esférica y sumergidas
en un fluido Newtoniano. El modelo desprecia la inercia de la partícula, la gravedad
y las interaciones hidrodinámicas, lo cual es un práctica común cuando el
sistema es diluido y los tamaños de las partículas están en el rango coloidal (tamaño
1nm10 m ). El tama´no promedio y las distribuciones de población fueron
medidos en función de tiempo para varias combinaciones de números de Péclet
(Pe)—razón entre la fuerza de autopropulsión y la fuerza Browniana—y pequeñas
intensidades adimensionales de la fuerza magnética dipolo-dipolo ( 20)—razón entre la fuerza magnética dipolo-dipolo y la fuerza Browniana. Se encontró que a
medida que Pe crece, la habilidad del sistema para agregarse crece hasta un valor
crítico de Pe el cuál depende de . Despues de este crítico Pe el tamaño promedio
de los agregados logra una saturación a un estado estable que cuyo valor depende
de nuevamente. A Pe ! 1 y debido a la predominancia de la fuerza de autopropulsión
con respecto a la fuerza Browniana Nc ! 1. Nuestro análisis muestra
que esos resultados son mejor presentados uando la razón Pe= , debido a que esta
razón representa la competencia entre la fuerza de autopropulsión y la fuerza de
interacción magnética. Nuestro modelo físico fue “validado” con lo que se espera
cuando Pe ! 0. Estos resultados y metodología podrían ser usados para continuar
explorando potenciales aplicaciones de partículas recientemente sintetizadas con
características similares (autopropulsadas y superparamagnéticas) como usadas en
este modelo. En específico este estudio demuestra que el tamanó de las cadenas
formadas por partículas magnéticas puede ser controlado cambiando la fuerza de
autopropulsíon en los sistemas evitando por ejemplo cadenas muy largas las cuales
pueden dificultar su uso en entregado de medicamentos, hipertermia magnética u
otras aplicaciones donde cadenas muy grandes es un escenario no deseado.
Description
The microstructures formed by magnetic colloids in the absence or presence
of external magnetic fields plays a key role in the design of multifunctional nanomaterials.
In this work we have carried out Brownian dynamics simulations of a
dilute suspension composed by self-propelled superparamagnetic colloids, in order
to study the interplay between the self-propulsion and the magnetic interaction
forces in their aggregation process, when the suspension is subjected to a strong
external magnetic field. This simulation method solves, numerically, the force and
torque balance equations which arise after applying the Newton’s second law to the
translational and rotational motion of spherical magnetic particles immersed in a
Newtonian fluid. The model neglects the particle inertia, the gravity effects and the
hydrodynamic interparticle interactions, which is a common practice when the system
is dilute and the particle sizes are in the colloidal range (size 1nm10 m).
The mean cluster size and the population distributions were measured as a function
of time for various combinations of Péclet number (Pe)—ratio between selfpropulsion
and Brownian forces—and small dimensionless magnetic dipole-dipole
strength ( 20)—ratio between the magnetic dipole-dipole and Brownian forces.It was found that as well as the Pe increases the ability of the system to aggregate
increases to a critical value of Pe which depends of . After this critical Pe
the average size of aggregates reach a steady state value and also depends of . At
Pe ! 1 and due to the predominance of self-propulsion force with respect to the
Brownian force Nc ! 1. Our analysis shows that these results are better presented
as a function of the ratio Pe= , because this ratio represents the interplay between
the self-propulsion force and the magnetic interaction strength. Our physical model
was “validated"with the expected when Pe ! 0. These results and methodology
could be used to continue exploring potential applications of recent particles synthesized
with similar features (self-propelled and superparamagnetic) as used in the
present model. In specific this study demonstrate that the size of chains formed
by magnetic particles can be controlled changing the self-propulsion force in the
system avoiding for example very long chains which can difficult their use in drug
delivery, magnetic hyperthermia or other applications where very long chains is a
undesired scenario.
Keywords
Microestructuras formadas por coloides