Совместный проект ученых Уральского федерального университета и Дрезденского технического университета (Германия) получил поддержку в рамках конкурса РФФИ 2021 года на лучшие проекты фундаментальных научных исследований. Российский фонд фундаментальных исследований выделил 5 млн рублей на год на изучение магнитных эластомеров.

«Магнитные эластомеры — это гибридные материалы, состоящие из резиноподобного носителя с вкраплениями из магнитных частиц. Их структуру можно сравнить с булочкой с изюмом. Только вместо теста может быть упругий материал, а изюм — это магниты размером в несколько микрометров», — рассказывает руководитель российской группы проекта Софья Канторович.

Частицы в таких системах могут быть самой разнообразной формы, обладать различными магнитными характеристиками. Это означает, что они могут быть как постоянными магнитами, так и намагничиваться во внешнем магнитном поле. Микромагниты способны притягиваться и отталкиваться друг от друга, в зависимости от их расположения, ориентации и внешних воздействий.

Это означает, что магнитные эластомеры могут активно реагировать на внешнее магнитное поле, изменяя свою форму, механические и магнитные свойства. Такого рода восприимчивость к магнитному полю делает эти материалы очень привлекательными для разработки сенсоров или для использования в медицине.

«Однако любому ясно, что при замешивании теста с изюмом не всегда удается добиться равномерного распределения ягод. Так и в магнитных эластомерах — их внутренняя структура определяется на этапе синтеза: как быстро затвердевает носитель, какие взаимодействия являются ключевыми. Важно отметить, что микроструктура эластомера не всегда, а точнее почти никогда, не является реализацией термодинамического равновесия», — подчеркивает Софья Канторович.

Цель проекта — развить методы аналитического и компьютерного моделирования, которые позволят описать и предсказать взаимосвязь между методом синтеза и конечными магнито-механическими свойствами магнитных эластомеров.

«Результаты анализа позволят прогнозировать размер и топологию структур, возникающих в мягких магнитных композитах, а также физико-механические свойства композитов в зависимости от их внутреннего состава и особенностей полимеризации», — добавляет Софья Канторович.

Учитывая удивительное разнообразие и сложность магнитных эластомеров, такой проект был бы неполным без экспериментов и создания реальных материалов. Этим будут заниматься ученые из Дрезденского технического университета. Они не только смогут проверить модели, но и будут использовать их для системного создания магнитных эластомеров с желаемыми свойствами.

«Магнитные эластомеры можно использовать для создания функциональных поверхностей с контролируемой смачиваемостью и искусственных мышц, — говорит Софья Канторович. — Также с их помощью можно производить высокоэффективные датчики ускорения, при условии, что мы добьемся контролируемого отклика на внешнее магнитное поле, поняв взаимосвязь синтеза, распределения магнитных частиц и магнитных упругих свойств. Данные исследования могут найти широкое применение в машиностроении, робототехнике, медицине».