Магниточувствительные мягкие материалы представляют собой мягкие композиты, в которых магнитные наполнители встроены в мягкие полимерные матрицы. Эти активные материалы привлекли обширный исследовательский и промышленный интерес из-за их способности реализовывать быстрые и программируемые изменения формы посредством дистанционного управления магнитными полями. Материалы состоят из магнитнозаряженных полимерных матриц. Благодаря магнитным полям свойства материала могут быть запрограммированы на преобразование формы, динамическое перемещение на основе деформации формы, манипулирование объектами, сборку, дистанционное выделение тепла, а также как реконфигурируемая электроника.
Благодаря широкому спектру вариантов наполнителя (ферромагнитные частицы, суперпарамагнитные частицы, постоянные магниты и т. д.) и вариантов полимерной матрицы (гидрогели, мягкие эластомеры, полимеры с памятью формы (SMP) и т. д.) можно выбирать компоненты магнитных композитов для достижения предпочтительных функциональных возможностей. Разработанные системы материалов по-разному реагируют на приложенное магнитное поле.
Взаимодействие частиц деформирует мягкую полимерную матрицу и приводит к общей деформации конструкции. Такое поведение называется магнитострикцией. В сочетании с введенной деформацией из-за взаимодействия частицы с матрицей жесткость конструкции можно активно регулировать, контролируя магнитное поле.
Сила магнитного притяжения также может генерировать крутящий момент тела, чтобы согнуть материал.
За последние десятилетия в работах показаны значительные усилия по теоретическому описанию и прогнозированию магнитострикционного поведения на влияние дипольных взаимодействий, микроструктур, распределения частиц и формы частиц на макроскопическое механическое поведение.
Механические исследования магнитно-мягких композитов не только помогают понять поведение материала, но и предоставляют мощный инструмент для проектирования материалов.
Когда ферромагнитные частицы, включая как магнитотвердые, так и магнитомягкие, достаточно малы (3–50 нм в зависимости от материала), возникает суперпарамагнетизм. Частицы не проявляют остаточной намагниченности и коэрцитивной силы, но при этом обладают высокой проницаемостью, которая помогает обеспечить силу срабатывания, как это делают магнитомягкие частицы в приложенном магнитном поле. В высокочастотном переменном магнитном поле суперпарамагнитные частицы также могут индуктивно нагреваться и служить источником тепла в материальных системах, что обычно используется в областях гипертермической терапии и доставки лекарств.
На сегодняшний день широко используются функциональные мягкие полимерные матрицы четырех категорий: гидрогели, мягкие эластомеры, SMP и жидкости.
Как материал, так и геометрия системы определяют функциональные возможности магнитно-мягких композитов. Усовершенствованные методы изготовления позволяют создавать более сложные конструкции и возможности применения. В то время как процесс формования показывает возможность изготовления 2D или относительно простых 3D геометрий, методы аддитивного производства, также известные как 3D печать, помогают добиться быстрого изготовления сложных структур из магниточувствительных мягких материалов.
Путем интеграции магниточувствительных наполнителей с различными типами полимерных матриц и использования преимуществ передовых технологий изготовления можно достичь превосходной гибкости конструкции. Под внешним магнитным полем от постоянных магнитов или электромагнитных катушек магнитные наполнители могут преобразовывать входную электромагнитную энергию в упругую энергию, кинетическую энергию и/или тепловую энергию для различных функций. Программируемые магнитные свойства, в том числе выравнивание частиц и распределение намагниченности, позволяют контролировать изменение формы под действием приложенного магнитного поля, например метаматериал с ловкими преобразованиями формы.
Навигация является важной функцией магниточувствительных мягких материалов, где перемещение магнитного композита реализуется посредством сложных динамических движений, таких как ползание, перекатывание, прыжки и подъем, которые контролируются путем настройки величины и направления магнитного поля.
Доказано, что благодаря возможности конфигурации формы и навигации в магнитных полях магнитные композиты являются идеальными кандидатами для тонких манипуляций с объектами. В высокочастотном переменном магнитном поле определенные типы магнитных частиц могут генерировать большое количество тепла за счет индукционного нагрева, и генерируемое тепло может служить прямым выходом энергии при гипертермическом лечении опухолей. Тепло также может быть связано с другими физическими свойствами магнитных композитов для таких функций, как дистанционная активация эффекта памяти формы. Более того, связанное поведение магнитных материалов и магнитного поля, а также мультифизические связи разработанных магниточувствительных мягких материалов обеспечивают новые стратегии для конфигурируемой электроники и восприятия сигналов.
Более подробно об удивительных свойствах многообещающих новых магнитных материалов можно почитать здесь:
https://orcid.org/0000-0001-8249-3854
https://orcid.org/0000-0002-9292-5267
10.1002/adma.202212202
#нейрофилософия #наука #замощениеплоскости #кристаллография #магнитныеполимерныекомпозиты #многокомпонентныеволокна #умныйтекстиль #новыематериалы
#магнитомягкиематериалы #мягкаяробототехника #конфигурируемыеструктуры
#медицинабудущего #2035 #2030 #нейрофилософияонлайн