磁気弾性フィラメント

磁性ナノチェーンは、磁場や磁場勾配を用いて操作できる、高度に異方性の形状を持つ、磁気応答性および超常磁性ナノ構造の新しいクラスです。 ^{[ 2 ] [ 3 ]}このようなナノチェーンは、磁気的に集合してチェーンに固定された自己集合ナノ粒子クラスターで構成されています。使用されるさまざまな連結方法には、シリカコーティング、ポリアクリル酸（PAA）コーティング、テトラエトキシシラン縮合、ビオチン化、またはグルコース分解などがあります。通常、これらのナノ構造の主要な構成要素は、個々の超常磁性酸化鉄ナノ粒子（SPION）です。多数の個々の磁性ナノ粒子（約100個のSPION）で構成されるナノ粒子クラスターは、直径50～200ナノメートルの磁性ナノビーズとして知られています。^{[ 4 ]}

粒子に及ぼされる力は、印加された磁場の強度、方向、ダイナミクス、および局所的な磁気双極子の位置と向きに依存します。動的な磁場は、鎖の形状を最も広範囲に制御することを可能にします。主な関心事は、動的な磁場の結果として鎖の端に及ぼされる力です。磁性コロイドの列によるラーモア歳差運動の効果は、磁場歳差角に依存する動的な相互作用をもたらします。実際、魔法角を通過すると、双極子-双極子相互作用の符号が反転します。z軸の周りを高速で歳差運動する磁場では、鎖の端に及ぼされる力は^{[ 5 ]}で与えられます。

${\displaystyle F_{end}\ {=}\ {\frac {3\mu ^{2}}{\sigma ^{4}}}\sin(2(\omega -{\frac {d\psi }{dt}})t)\mathbf {N} -\gamma {\frac {d\psi }{dt}}\mathbf {N} }$

どこ${\displaystyle \mu }$は双極子モーメントです。${\displaystyle \sigma }$はビーズの直径です。${\displaystyle \omega }$は磁場歳差運動の角周波数であり、${\displaystyle {\frac {d\psi }{dt}}}$はフィラメント経路の変化率であり、${\displaystyle \gamma }$は粘性抗力係数であり、${\displaystyle \mathbf {N} }$は、フィラメント曲線の接線に垂直な平面の単位ベクトルです。これにより周期的な磁力が生じます。ただし、高速歳差運動下では、第2項はゼロではなく、 に比例します。$\displaystyle \omega ^{-1}}$低${\displaystyle \omega }$磁気トルクが支配的になり、チェーンが自身に巻き付く。${\displaystyle \omega }$曲げ弾性率がエネルギー地形を支配し、フィラメントは場依存の体積弾性率を持つ分岐ゲルを形成する。

フィラメントにかかる負荷は、一般的にポリマーの連結方法によって制限されます。単純な共有結合フィラメントの弾性ひずみ領域は短く、ほとんどの条件下では伸びないと考えられています。引張力が大きくなりすぎると、塑性変形が発生し、通常は結合の切断とポリマーの絡み合いの解消につながります。これらの不可逆的な変化は、曲げ弾性率の永久的な変化をもたらし、最終的にフィラメントの性能に影響を与えます。^{[ 6 ]}

集束イオンビームミリングなどのエッチング技術を用いることで、磁性材料中にマイクロサイズまたはナノサイズの柱を形成することができる。しかし、結晶柱の繰り返し曲げは、欠陥形成や疲労損傷を引き起こす可能性がある。この損傷は、局所的な塑性により、弾性領域であっても柱の表面に亀裂が核生成することによって生じる。連続する圧縮および引張サイクル中の亀裂の伝播は、柱の破壊につながる可能性がある。これは、強磁場下で動作するカンチレバー磁気測定で見られる現象と類似している。このため、連続合金フィラメントを使用するよりも、ポリマーなどのより強靭で弾性のある材料でより小さな磁性粒子を結合することが望ましい。^{[ 7 ]}