Mīkstu funkcionālu magnētisku nanomateriālu eksperimentāli pētījumi

Projekta vadītājs A. Cēbers

Viens no dotā projekta pamatuzdevumiem ir izveidot pie FMF Teorētiskās fizikas katedras eksperimentālu grupu, kura nodarbotos ar katedrā izstrādāto teorētisko modeļu un atrasto likumsakarību eksperimentālu pārbaudi. Šim nolūkam, pateicoties ASV puses līdzfinansējumam tika iegādātas lāzerpincetes optiskās komponentes. Lāzerpincetes darbība demonstrēta pārvietojot 3 μm polistirola daļiņu starp mikroskopa priekšmeta stikliņiem (skat. animāciju). Redzams, ka ar lāzerpincetes palīdzību ir iespējams manipulēt ar koloidāla izmēra daļiņām. Dotā vizuāli vienkāršā eksperimenta realizācijai nācās pārvarēt virkni tehniskas dabas grūtību, – kā novērst daļiņu pielipšanu pie mikroskopa segstikliņa u.c. Veicot vienkāršu eksperimentu – pārvietojot vienu mikroskopa segstikliņu attiecībā pret otru tika novērtēts raksturīgais spēks, ko pie konkrētas argona lāzera jaudas rada optiskā pincete paralēlā segstikliņiem virzienā, – 4 pN. Dotā spēka lielums pēc kārtas atbilst teorētiski novērtētam spēkam [1], ko spēj attīstīt uz lokana magnētiska filamenta pamata izveidots mikrodzinējs. Šī spēka eksperimentāla noteikšana ir viens no mērķiem, kuru sasniegšanai lāzerpincete tika izveidota. Piebildīsim, ka neskatoties uz projekta realizācijas sākotnējo stadiju lāzerpincetes iekārta jau tiek izmantota studentu apmācībai maģistra kursā „Hidrodinamikas eksperimentālās metodes”.

Projekta realizācijas laikā ir izveidotas magnētiskā lauka radīšanas sistēmas magnētisko filamentu iegūšanai, kā arī mainīga lauka radīšanai starp mikroskopa segstikliņiem magnētiskā filaments pašdzenošas kustības realizācijai.

Vienlaicīgi ar eksperimentālas bāzes radīšanu projekta ietvaros realizēta virkne teorētisku pētījumu, kuri parāda interesantas eksperimentālu pētījumu programmas realizāciju nākotnē. Darbā [2] tika pirmoreiz apskatīta aktīvas magnētiskas daļiņas, piemēram, magnetotaktiskas baktērijas, kustība rotējošā magnētiskā laukā un aprakstīti tās iespējamie kustības režīmi. Pie rotējošā magnētiskā lauka frekvences vērtībām, kuras mazākas par kritisko, baktērija pārvietojas pa apli, frekvencei pārsniedzot kritisko vērtību baktērija, veicot noteiktu skaitu apgriezienu pa apļveidīgu trajektoriju, pārlec uz citu telpas apgabalu (skat. animāciju). Atkarībā no frekvences attiecības pret tās kritisko vērtību, kā parādīts darbā [2], iespējami dažādi kustības režīmi. Nākotnē iespējama atrasto likumsakarību eksperimentāla pārbaude, izmantojot dotā projekta ietvaros radītās eksperimentālās iekārtas.

Cits dotā projekta ietvaros veiktais pētījums aktīvo vidu fizikā, kuras tuvas dzīvajā dabā sastopamajam, ir saistīts ar dielektrisku daļiņu suspensijas vāji vadošā šķidrumā kā aktīvas sistēmas īpašībām. Parādīts [3,4], ka saistot šo aktīvo sistēmu ar elastīgu elementu ir iespējams izveidot mehānisku autosvārstību ģeneratoru, kura enerģijas pievadu nodrošina ārējais elektrostatiskais lauks. Darbā [4] aplūkota dotās parādības saistība ar novērojamām aktīvās sistēmās, kuras sastopamas dabā, piemēram, muskuļos, un izanalizēta Hilla vienādojuma piemērojamība dotajam gadījumam.

Ārkārtīgi interesanti objekti veidojas feromagnētiskas daļiņas saistot ar kādu elastīgu saistvielu, piemēram, polimēru [1]. Projekta realizācijas gaitā tika apskatīta jauna šādu objektu klase, kuri atšķirībā no agrāk apskatītajiem [1] ir spontāni magnetizēti. Šāda tipa objekti dabā ir sastopami magnetotaktiskajās baktērijās, lai arī to mehāniskās īpašības patreiz paliek pilnīgi nenoskaidrotas. Darbā [5] apskatītas šādu objektu īpašības mainīgā magnētiskā laukā. Parādīts, ka lokani spontāni magnetizēti objekti mainīgā laukā orientējas laukam perpendikulārā virzienā (skat. animāciju). Līdztekus filamenta orientācijai laukam perpendikulārā virzienā noteiktā frekvenču diapazonā iespējamas U-tipa laikā mainīgas filamentu konfigurācijas (skat. animāciju). Iespējams, ka šie rezultāti ļaus izskaidrot virkni agrāk nesaprastu parādību, kuras novērotas eksperimentāli.

Darbā [5] ir noskaidrota arī virkne citu interesantu lokanu spontāni magnetizētu magnētisku filamentu īpašību, – atrasta to siltumfluktuāciju izraisītā vidējās kvadrātiskas nobīdēs atkarības no laika t t^3/4 izmaiņa uz t^1/2, atkarībā no magnētiskā lauka intensitātes, raksturīgā filamentu magnētiskās uzņēmības atkarība no magnētiskā lauka frekvences ω^-3/4, kura labi atbilst dzelzs nanodaļiņu koloīda magnētiskajām īpašībām, novērotām eksperimentāli. Minētie rezultāti tiks ziņoti vairākās starptautiskās konferencēs [6,7]. Dotā projekta realizācija būtu praktiski neiespējama bez ASV līdzfinansējuma (Pensilvānijas universitātes). Sadarbībā ar Pensilvānijas universitāti jau ilgākā laika posmā tiek realizēta pētījumu programma bioloģiskajā fizikā. Tās ietvaros tika teorētiski aprakstīta tā agrāk nesaprasta parādība, – aktīnu filamentu saišķu gredzeni (skat. animāciju), ja tie veidojas izspiešanas flokulācijas rezultātā, nesatur lūzumus (skat. Zīm. 1), ja turpretī saišķi veidojas polivalentu pretjonu klātnē to gredzeniem piemīt raksturīgie lūzumi. Darbā [8] doto lūzumu veidošanās aprakstīta ņemot vērā adsorbēto uz aktīna molekulām polivalento jonu elektrostatiskās mijiedarbības.

Zīm.1. Aktīna filamentu saišķu gredzenu veidošanās. A- gredzeni dekstrāna izsauktās izspiešanas flokulācijas rezultātā, aktīna molekulu pārklāšanās vietās redzama palielināta fluorescences intensitāte, B,C- izspiešanas flokulācijas rezultātā veidotie gredzeni nesatur lūzumus, D – gredzeni, kuri veidojas polivalentu jonu klātbūtnē, satur lūzumus.

Literatūra

1. A.Cebers. Flexible magnetic filaments. Current Opinion in Colloids & Interface Science, v. 10 (2005), pp. 167–175.
2. A.Cēbers, and M.Ozols. Dynamics of an active magnetic particle in a rotating magnetic field. Phys. Rev. E, v. 73, (2006). 
3. M.Ozols, and A.Cēbers. Autooscilations in dielectric suspension with a “negative” viscosity effect. In: The 15^th Riga and 6^th PAMIR Conference on Fundamental and Applied MHD, Riga , Jurmala, v. 1, (2005), pp. 317–320. 
4. M.Ozols, and A.Cēbers. Autooscilations in dielectric suspension with a “negative” viscosity effect. Magnetohydrodynamics, v. 41, (2005), pp. 215–221. 
5. M.Belovs, and A.Cēbers. Dynamic fluctuations of dipolar semiflexible filaments. Phys. Rev. E, 2006 (accepted). 
6. M.Belovs, and A.Cēbers. Relaxation dynamics of magnetic particle chains. 10^th International Conference on Magnetorheological Suspensions and Electrorheological Fluids, Lake Tahoe, USA , 2006 (accepted). 
7. A.Cēbers. Semiflexible magnetic filaments. American Physical Society, March Meeting 2006 (accepted). 
8. A.Cēbers, Z.Dogic, and P.A.Janmey. Counterion-mediated attraction and kinks on loops of semiflexible polyelectrolyte bundles. Phys. Rev. Lett. (submitted).