Microconvective effects in non-isothermal and inhomogeneous dispersions of magnetic nanoparticles

Abstract

Anotācija. Ferokoloīdiem – stabilām magnētisko nanodaļiņu dispersijām – piemīt vērā ņemamas magnētiskās īpašības, kuras izpaužas uz tiem iedarbojoties ar ārējo magnētisko lauku. Neizotermiskās koloidālās sistēmas savukārt izrāda ciešu saikni starp temperatūras un dispersās fāzes koncentrācijas gradientiem (Soret efekts). Tā galvenais cēlonis ir izmēru atšķirība starp binārā maisījuma komponentēm. Koncentrācijas un magnētiskā lauka gradientu mijiedarbība magnetizējamā vidē izraisa magnētiskos spēkus, kuri ietekmē siltuma un masas pārnesi. Šī teorētiskā pētījuma priekšmets ir fotoabsorbtīvo konvektīvi-difuzīvo mikrostruktūru rašanās un evolūcija ferokoloīdu slāņos ārēja magnētiskā lauka ietekmē. Tiek formulētas un risinātas dažas modeļproblēmas ar mērķi noskaidrot koncentrācijas magnētiskās konvekcijas veidošanās mehānismus koncentrācijas mikrostruktūrās, kuras tiek inducētas ar ārēja optiskā avota starojuma enerģijas absorbciju un no tās izrietošo termisko gradientu veidošanos. Ar teorētiskām metodēm tiek noteikta konvektīvās pārneses ietekme uz efektīviem transporta koeficientiem. Tiek apskatīta izstiepto fotoabsorbtīvo mikrostruktūru sekundārā hidrodinamiskā stabilitāte attiecībā pret noteicošo kontroles parametra variāciju. Skaitliskās simulācijās tika novērota izstiepto režģu destabilizācija un tai sekojoša translācijas simetrijas laušana. Savukārt, divdimensionālo tīklu stabilitātes zaudēšanai seko rotācijas simetrijas kārtas pazemināšanās. Iegūtie teorētiskie rezultāti ļauj interpretēt vai pārinterpretēt dažas fotoabsorbtīvo koncentrācijas mikrostruktūru veidošanās un evolūcijas īpatnības magnetokonvektīvas pārneses kontekstā. Koncentrācijas magnētiskās mikrokonvekcijas ietekmes analīze ļauj aprakstīt dažu iepriekš neizskaidrotu efektu mikroskopisko mehānismu. Tiek apstiprināta parazītiskās magnētiskās mikrokonvekcijas rašanās fotoabsorbtīvās mikrostruktūrās ārēja magnētiskā lauka ietekmē.

Abstract. Ferrocolloids – stable dispersions of magnetic nanoparticles – possess notable magnetic properties, which become apparent in consequence of the application of the external magnetic fields and magnetic ordering of the nanoparticles. Non-isothermal colloidal systems in turn exhibit close coupling between the gradients of temperature and concentration of the dispersed phase – Soret effect - owing to the size difference between the components of the binary mixture. The interactions of the gradients of concentration and demagnetizing field in magnetizable medium contribute to the appearance of the magnetic forces affecting the regimes of heat and mass transfer. The subject of this theoretical investigation is the emergence and evolution of the photoabsorptive convective-diffusive microstructures in ferrocolloid layers under the action of the applied magnetic field. A series of model problems is formulated in order to elucidate the principal mechanisms of the formation of magnetosolutal microconvection within the concentration microstructures induced by the absorption of the incident optical intensity and the consequent appearance of the thermal gradients. The convective contributions to the effective transport coefficients are obtained by analytical and numerical methods. The secondary stability of the extended photoabsorptive microstructures is considered with respect to the variation of the control parameters. The destabilization of the extended gratings and the consequent breaking of the translational symmetry are observed in numerical simulations. In turn, the loss of stability of the bidirectional grids is followed by the reduction of the order of the rotational symmetry. The obtained theoretical results permit interpreting or reinterpreting some peculiarities of the real observations of the formation and evolution of the photoabsorptive concentration microstructures in the framework of magnetoconvective transport. The consideration of the influence of magnetosolutal microconvection in observable parameters has allowed describing the underlying microscopic mechanisms of some previously unexplained effects. In principle, the formation of the parasitic magnetic microconvection within the photoabsorptive microstructures under the action of the applied magnetic field is confirmed.