Ferrofluide
Magnetisierungskurven
Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Ferrofluids ist seine Magnetisierungskurve, also die Abhängigkeit der Magnetisierung von der Größe des angelegten magnetischen Feldes. Wir können diese Magnetisierungskurven unter Berücksichtigung aller relevanten Kräfte zwischen den Ferrofluidteilchen (sterische Abstoßung und magnetodipolare Wechselwirkung) und der Verteilung von Teilchengrößen und magnetischen Momenten - die in realen Ferrofluiden unvermeidlich sind - simulieren. Entsprechende Ergebnisse erlauben die Vorhersage der linearen und nicht linearen dc-Suszeptibilität von Ferrofluiden in Abhängigkeit von den Parametern und Konzentration der Ferrofluidteilchen. So können wir Eigenschaften von Ferrofluiden für jede gewünschte technische Anwendung oder medizinische Diagnostik optimieren, bei der dieses interessante Material vonnöten ist.
Aggregieren von Teilchen in Ferrofluiden
Aufgrund der magnetodipolaren Wechselwirkung zwischen Ferrofluidteilchen, die für eine bestimmte gegenseitige Orientierung von magentischen Momenten anziehend ist, können einzelne Teilchen Aggregate in Form einer Kette oder eines 3D-Clusters bilden. Dieses Phänomen ist außerordentlich wichtig, da solche Partikelaggregate einen qualitativen Einfluss auf viele makroskopischen Eigenschaften von Ferrofluiden haben, wie z.B. ihre Stabilität und Viskosität. Simulationen von diesen Aggregaten in Ferrofluiden, die wir mit Hilfe des Langevin-Dynamik-Verfahrens durchführen, ermöglichen tiefe physikalische Einblicke in die Natur dieser Prozesse zwecks ihrer besseren Kontrolle.
AC - Suszeptibilität
Unser Team simuliert die Auswirkungen oszillierender magnetischen Felder auf Ferrofluide, was eine Vorhersage der Temperatur- und der Frequenzabhängigkeit der ac-Suszeptibilität von Ferrofluiden erlaubt. Diese Charakteristiken spielen eine sehr wichtige Rolle in vielen Anwendungen, die mit Ferrofluiden verbunden sind - u.a. in der Hyperthermie und beim Detektieren von Biomolekülen, die an Ferrofluidpartikel angehängt sind (siehe auch den nächsten Punkt).
Dynamik von Ferrofluiden mit inneren Freiheitsgraden
In den meisten Standardmodellen von Ferrofluiden wird angenommen, dass das magnetische Moment eines Ferrofluidteilchens fest daran "gebunden" ist, sodass es nur zusammen mit dem Teilchen rotieren kann (Brownsche Relaxation). In Wirklichkeit kann das magnetische Moment, wenn die Teilchengröße im Bereich bis zu ~ 20 - 30 nm liegt (was auf sehr viele Ferrofluide zutrifft), relativ zum Teilchen selbst rotieren, also auch dann seine Orientierung verändern, wenn das Teilchen immobil ist (Neel-Relaxation). Unsere Simulationen ermöglichen die Erforschung beider Relaxationsarten und somit auch die Bestimmung der Abhängigkeit der entsprechenden Relaxationszeiten von der Partikelform und Partikelgröße, sowie von magnetischen Eigenschaften der Teilchen (Magnetisierung und innere magnetische Anisotropie). Diese Untersuchungen sind zum einen für die Grundlagenforschung von großer Relevanz (Relaxationsprozesse in wechselwirkenden Vielteilchensystemen sind für moderne statistische Physik von großem Interesse) und werden zum anderen für medizinische Anwendungen von Ferrofluiden wie die Hyperthermie und Lab-on-a-Chip-Diagnostik benötigt.