基于Cosserat连续体理论的磁性纳米颗粒群在谐振磁场中聚集体模式的研究

The swarming and assembly of colloidal particles controlled by magnetic field have attracted much attention, since they acquire the great biomedical applications including cancer therapies. During the past three years, some scientists have reported some strategies to reconfigure magnetic nanoparticles into regular microswarms using oscillating magnetic fields, such as the vortex-like swarm, the ribbon-like swarm with a reversible elongation. In this project, the collective pattern formation and deformation of the magnetic nanoparticles in oscillating magnetic fields will be investigated by considering the Cosserat continuum theory with local rotation, couple stress and intrinsic scale parameters. The finite element method and perturbation method will be proposed. To reveal the relationship between the collective behavior of magnetic nanoparticles, as well as the displacement and rotation of single nanoparticles, the distribution of density, local rotation angle and easy magnetic axis of anisotropic magnetic nanoparticles should be obtained. A further research will be focus on the effect of the frequency and intensity of oscillating magnetic field, as well as the initial density of the microswarm on the collective behavior of magnetic nanoparticles. The deformation rules of microswarm will be clarified. This project will provide a useful theoretical tool for understanding the collective behavior and deformation rules of magnetic nanoparticles in oscillating magnetic fields.

磁场驱动和控制的胶体颗粒群备受关注，它们在肿瘤治疗等生物医学领域应用前景巨大。最近，实验上已证实了磁性纳米颗粒群在磁场控制下可实现规则的聚集体模式和形变模式，比如涡旋状分布、带状分布，以及可逆轴向形变。本项目以磁性纳米颗粒群为研究对象，采用包含局域旋转、偶应力、内尺度参数的Cosserat连续体理论，结合有限元分析法和微扰分析法，进行谐振磁场中磁性纳米颗粒群聚集体模式和形变模式的研究。探索磁性纳米颗粒群集体行为与单个纳米颗粒位移、转动之间的关系，得到各向同性磁性纳米颗粒群的密度分布、局域旋转角度分布，各向异性磁性纳米颗粒群的易磁化轴分布。阐明磁性纳米颗粒群的形变规律，从而揭示谐振磁场的频率、强度和颗粒群初始密度对其聚集体模式的影响。本项目为理解规则形状的磁性纳米颗粒群的行为和控制方法提供了理论指导。

磁场驱动和控制的胶体颗粒群备受关注，它们在肿瘤治疗等生物医学领域应用前景巨大。实验上已证实了磁性纳米颗粒群在磁场控制下可实现规则的聚集体模式和形变模式，比如涡旋状分布、螺旋状分布。.首先，我们建立模型，详细分析了由磁性立方体纳米颗粒群构成的螺旋链在磁场中受到的分布磁矩和分布力。在只考虑最近邻颗粒之间的相互作用的条件下，假设并论证了磁性纳米颗粒排列满足以下三点：颗粒堆叠方向为螺旋轴方向，螺旋轴沿磁场方向；磁偶极子沿易磁化轴方向，最近邻磁偶极子平行排列；最近邻颗粒规则排列。通过分析磁性颗粒之间偶极相互作用和外磁场作用，得到由磁性立方体纳米颗粒构成的螺旋链结构的分布磁矩和分布力的表达式。单链螺旋结构的分布力为零，分布磁矩垂直于螺旋轴。双链螺旋结构的分布磁矩和分布力都垂直于螺旋轴，且方向相反。.其次，我们采用包含局域旋转、偶应力、内尺度参数的Cosserat连续体模型，建立了一套全新的理论定量分析了磁性立方体纳米颗粒群自组装螺旋链结构的机理。定量给出了单链螺旋结构和双链螺旋结构的几何参数与磁场强度和平均颗粒间距的关系。理论计算表明，增大磁场强度或者增大颗粒群初始密度可以增大螺旋角、增大螺旋半径、减小螺旋螺距。螺旋角理论极大值与实验结果相符。相同条件下，双链螺旋结构的螺旋角更大。我们的工作为制造磁性颗粒螺旋链, 以及调节磁场和颗粒群浓度来精确控制螺旋的形态变化提供了可靠的理论依据，并进一步指导实验研究将磁性纳米颗粒螺旋作为柔性微米机器人应用于复杂的三维环境，比如人体毛细血管，提供了理论框架。 .最后，基于Cosserat连续体模型，我们建立了完备的理论定量分析了密排和非密排导电微纳米螺旋结构的机电性质，包括扭转和轴向形变的耦合。模型中的分布力可描述载流螺旋的电磁分布力和内压力，与实验结果一致。理论计算表明，密排导电微纳米螺旋结构可以实现旋转反演和大冲程轴向收缩耦合的机械驱动；非密排导电微纳米螺旋结构可以实现大冲程退卷和轴向收缩耦合的机械驱动。增加电流强度，使得这两种螺旋结构更加强韧。对于非密排螺旋，也可以减小螺旋角来增加其负载能力。我们的工作为进一步研究导电微纳米螺旋结构及其在人工肌肉以及其他微纳米机电系统中的应用提供了理论框架。