Forskere udvikler computermodel af ferrofluid -bevægelse

Ferrofluider, med deres fascinerende fremvisning af formskiftende pigge, er en yndlingsudstilling i videnskabsshows. Disse iøjnefaldende eksempler på magnetiske felter i aktion kan blive endnu mere dramatiske gennem beregningsarbejde, der fanger deres bevægelse.

Et KAUST -forskerteam har nu udviklet en computermodel af ferrofluid -bevægelse, der kan bruges til at designe endnu større ferrofluid -displays. Arbejdet er et springbræt til at bruge simulering til at informere brugen af ​​ferrofluids i en bred vifte af praktiske anvendelser, såsom medicin, akustik, radarabsorberende materialer og nanoelektronik.

Ferrofluids blev udviklet af NASA i 1960'erne som en måde at pumpe brændstoffer i lav tyngdekraft. De omfatter nanoskala magnetiske partikler af jernholdige forbindelser suspenderet i en væske. I mangel af et magnetfelt, ferrofluids har en perfekt glat overflade. Men når en magnet bringes tæt på ferrofluidet, partiklerne flugter hurtigt med magnetfeltet, danner det karakteristiske piggede udseende. Hvis der placeres en magnetisk genstand i ferrofluidet, piggene vil endda klatre op på objektet, før de kaskaderer ned igen.

Fordi ferrofluid-adfærd kan være kontra-intuitiv, simulering er den ideelle måde at forstå deres komplekse bevægelse på. (Se simuleringen her.) Indtil nu, imidlertid, modellerne har haft flere begrænsninger, siger Libo Huang, en ph.d. studerende i Dominik Michels's Computational Sciences Group inden for KAUST's Visual Computing Center.

Den første udfordring var at eliminere singulariteter i magnetfeltet på eksisterende modeller, Siger Huang. Tidligere modeller håndterede typisk magnetfeltsimulering ved hjælp af magneter, der er uendeligt små. Jo tættere to magneter bringes sammen, jo stærkere magnetisk tiltrækning - altså hvis en magnet er uendelig lille, magnetfeltstyrken kan blive uendelig stor. "Midten af ​​en uendelig lille magnet kaldes dens singularitet, "Siger Huang. Ikke alene er magnetfeltet svært at måle i magnetens centrum, men hvis to singulariteter kommer tæt sammen, kræfterne bliver så store, at simuleringen kan gå ned. "Vi udledte formler for at fjerne singulariteterne og skabe meget mere robuste numeriske skemaer, "Siger Huang.

Teamet fandt også måder at øge beregningseffektiviteten ved at reducere den algoritmiske kompleksitet, gør det muligt at køre større simuleringer. Da teamet sammenlignede deres model med våde laboratorieforsøg, det gengav ferrofluidens sande dynamiske adfærd, giver en god kvalitativ repræsentation, der vil være nyttig til ferrofluid -skulpturdesign. "Dette åbner døren for yderligere kvantitativ analyse, "Siger Huang. Forøgelse af modelens nøjagtighed yderligere ville give ny indsigt i grundlæggende ferrofluidadfærd og føre til mange nye anvendelser, fra elektroniske sensorer og kontakter til deformerbare spejle til avancerede teleskoper.