Поликрафт энергомаш: Polykraft — промышленное котельное оборудование

Компания Flambeau, основанная в 1947 году и принадлежащая группе компаний Nordic, предоставляет сеть операционных объектов для сотрудничества в обслуживании клиентов, возможности международных продаж и обширный опыт в области инструментов, управления, литья под давлением и выдувного формования. С 1947 года Flambeau обеспечивает партнерские отношения с производителями комплектного оборудования «под ключ» со своими OEM-клиентами по всему миру, выполняя заявки на нестандартные детали и сборки из термопластов, со специализацией на процессах литья под давлением, выдувного формования и формования со вставками; отделочное, инструментальное и специальное оборудование, а также пластиковые ящики и ящики для транспортировки/хранения. Для получения дополнительной информации о возможностях Flambeau посетите страницу 9.0688 www.flambeau.com или позвоните по телефону 608-356-5551.

Mastercraft зарегистрирован в Министерстве обороны ITAR, сертифицирован по ISO 9001, соответствует требованиям MIL 45208, одобрен UL и использует машины для литья под давлением от 40 до 440 тонн. Услуги включают в себя проектирование и разработку продукции, прототипирование, изготовление пресс-форм, производство в обычных и чистых помещениях, а также вторичные операции и сборку. Вторичные операции включают звуковую сварку, трафаретную печать, покраску / экранирование EMO-RFI, тампопечать, горячее тиснение, сборку с добавленной стоимостью и доставку на следующий день для клиентов западного побережья.

Flambeau, Inc. является членом Nordic Group of Companies, Ltd. Nordic Group (штаб-квартира в Барабу, Висконсин) является частной (семейной) холдинговой/управляющей компанией, состоящей из дочерних компаний с 18 сервисными и производственными предприятиями, и 26 маркетинговых подразделений по всему миру с более чем 2600 сотрудниками. Компании Nordic Group производят и продают по всему миру пластмассовые, сидения и транспортные средства для промышленных, коммерческих и потребительских рынков. Для получения дополнительной информации или каталога напишите Nordic Group of Companies, Ltd. , 414 Broadway, Baraboo, WI 539.13 США, посетите веб-сайт www.nordicgroup.com , факс: 608-356-5773 или адрес электронной почты: [email protected] .

Магнитоуправляемые ферромагнитные поплавки – PMC

• Список журналов
• Научные отчеты
• PMC5343437

науч. респ. 2017; 7: 44142.

Опубликовано онлайн 2017 март. информация Примечания к статье Информация об авторских правах и лицензиях Отказ от ответственности

Дополнительные материалы

Заявление о доступности данных

Микроскопические плавательные устройства обещают радикально новые применения в лабораториях на чипе и микрофлюидных технологиях, диагностике и доставке лекарств и т. д. В этой статье мы демонстрируем экспериментальную проверку нового класса автономных ферромагнитных плавательных устройств, приводимых в действие и управляемых исключительно колеблющимся магнитным полем. Эти устройства основаны на паре взаимодействующих ферромагнитных частиц разного размера и разных анизотропных свойств, соединенных упругой связью и приводимых в действие внешним нестационарным магнитным полем. Чистое движение генерируется комбинацией диполярных градиентных сил между частицами, зависящим от времени крутящим моментом и гидродинамической связью. Мы исследуем динамические характеристики прототипа (3,6 мм) ферромагнитного пловца в жидкостях различной вязкости в зависимости от параметров внешнего поля (частоты и амплитуды) и демонстрируем стабильное движение в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Мы показываем, что направление плавания зависит как от частоты, так и от амплитуды приложенного внешнего магнитного поля, что приводит к надежному контролю скорости и направления движения. Это открывает путь к созданию микроразмерных устройств для различных технологических приложений, требующих надежного срабатывания и высокой степени контроля.

Были предприняты многочисленные усилия по созданию высокоуправляемых и энергоэффективных самоходных систем длиной от микро- до сантиметров, поскольку такие устройства могли бы внедрить радикально новые подходы к технологии. Однако любая экспериментальная реализация сталкивается с рядом проблем, особенно при малых масштабах длины, из-за особенностей плавания при низком числе Рейнольдса ( Re ), которое зависит от размера пловца; ситуация кратко описана в так называемой теореме о гребешке 9.0882 1 ^{,2 ,3} . Было выпущено много элегантных моделей, демонстрирующих методы движения при низких числах Рейнольдса ^{4 ,5 ,6} . Кроме того, сильные броуновские силы при таких масштабах длины имеют тенденцию дезориентировать пловца, что затрудняет управление его траекторией. Еще одна серьезная трудность заключается в подаче энергии для создания движения пловца. До сих пор применялись разные стратегии с разным уровнем успеха, включая химические ^{7 ,8 ,9 ,10} and magnetic energy ^{11 ,12 ,13 ,14 ,15 ,16} , as well as light ^{17 ,18} , электрические поля ¹⁹ , ультразвук ²⁰ . Магнитное поле является многообещающим источником не только потому, что энергия может подаваться дистанционно, но и потому, что во многих случаях магнитные взаимодействия помогают сдерживать броуновскую дезориентацию, тем самым предлагая механизм контроля. Как недавно утверждал Erb и др. . ²¹ , стратегии приведения в действие, основанные на использовании магнитных полей, обеспечивают самые высокие манипулятивные усилия и крутящие моменты на шкале длины устройства от субмикрометров до миллиметров. Ранее нами была предложена новая концепция плавательного устройства на основе пары упруго связанных частиц с различной магнитной восприимчивостью, которыми можно управлять с помощью изменяющегося во времени магнитного поля ^{22 ,23 ,24} . Здесь мы описываем изготовление такого пловца в миллиметровом масштабе и экспериментально характеризуем его плавательные характеристики в диапазоне чисел Рейнольдса. Особое внимание в этом исследовании уделяется демонстрации надежного контроля над скоростью и направлением движения пловца, что делает его универсальной машиной с магнитным приводом. Такая управляемость и универсальность сделали бы миниатюрные (микрометрового размера) версии этих устройств привлекательными для ряда биомедицинских и технологических приложений.

Ранее нами была разработана теоретическая модель магнитного пловца на основе пары ферромагнитных частиц разного размера и с разными анизотропными свойствами, соединенных упругим элементом ^{22 ,23 ,24} и приводимых в движение внешним временем -зависимое магнитное поле (показана схема модели). Из-за различных анизотропных свойств двух частиц приложение внешнего магнитного поля приводит к изменяющейся во времени дипольной градиентной силе между частицами (что приводит к относительному радиальному движению), а также к зависящему от времени крутящему моменту (вызывающему колебательное вращательное движение вся система). Было показано, что комбинация этих двух взаимодействий, модулируемых упругой связью, связывающей частицы, и гидродинамической связью через вязкую жидкость, успешно преодолевает ограничения, установленные теоремой гребешка, и приводит к самодвижению при низких Ре . В общем случае из-за различия гидродинамического взаимодействия в первой половине цикла, когда частицы находятся ближе друг к другу, и во второй половине цикла, когда частицы находятся дальше друг от друга, возникает асимметрия времени -обратное смещение частиц, приводящее к общему переводу системы. Модель предсказала богатое динамическое поведение, включая как линейные, так и нелинейные траектории плавания и различные режимы движения. Теперь мы опишем конструкцию такого устройства и покажем, как можно управлять скоростью и направлением движения, регулируя параметры (частоту и амплитуду) внешнего магнитного поля без изменения его основного направления, что дало бы значительные преимущества в технологических приложениях. Также исследуется зависимость скорости распространения от вязкости жидкости.

Открыть в отдельном окне

Информация о производстве и характеристиках.

( a ) Схематическая диаграмма, показывающая геометрию смоделированного ферромагнитного поплавка. Модель состоит из двух магнитных шариков разного размера и анизотропных свойств, соединенных упругой связью с нулевым объемом. Больший шарик (радиус R ₁ ) имеет магнитный момент ( m ₁ ), который следует за приложенным магнитным полем. Меньшая бусина ( R ₂  =  R ₁ /2) имеет фиксированный магнитотвердый момент ( м ₂ ). (б) Изготовление устройства. (1) Частицы помещаются в латунную форму и выравниваются с помощью внешнего магнитного поля. (2) Жидкий эластомер заполняет форму (глубиной 0,5 мм) и оставляется для отверждения. (3) Последнее устройство. (Размеры: общая длина 3,6 мм, расстояние между краями частиц 1,6 мм (2,2 мм от центра к центру), твердые частицы кубической формы (0,6 × 0,6 × 0,45 мм), мягкие цилиндрические частицы (длина 0,7 мм, диаметр 0,5 мм)). (c) Кривая сила-растяжение звена из силиконового каучука, которая является приблизительно линейной в соответствующем диапазоне деформаций с эффективной жесткостью пружины (1,67 ± 0,08) × 10 ⁻²  Н м ⁻¹ (d ) Петли магнитного гистерезиса для твердых и мягких частиц (синий и красный соответственно). Магнитный момент твердых и мягких ферромагнитных частиц при 2,0 мТл составляет 1,39 × 10 ⁻¹  emu и 2,45 × 10 ⁻² emu соответственно. (e) Экспериментальная установка, состоящая из генератора сигналов и усилителя мощности (для питания колеблющегося магнитного поля) и системы катушек, обеспечивающих напряженность поля 0,5–2,5 мТл. Устройства размещают на границе раздела жидкость-воздух в чашке Петри и наблюдают с помощью видеокамеры.

Изготовление устройства

В нашем устройстве твердая частица состоит из NdFeB, который благодаря своей тетрагональной кристаллической структуре имеет чрезвычайно высокую одноосную анизотропию и обладает высокой устойчивостью к размагничиванию. Вторая частица изготовлена ​​из проволоки Fe (чистота 99,5%), мягкого по своей природе ферромагнетика, который относительно легко намагничивается и размагничивается в слабых магнитных полях.

Устройства (с типичным общим размером около 3,6  мм) были изготовлены с использованием пресс-формы собственного производства, как показано в части (1–3). Сначала две ферромагнитные частицы были закреплены осью анизотропии вдоль длинной оси плавателя, а затем форма была заполнена жидким эластомером. После отверждения в атмосферных условиях жидкая резина образовывала кольцевое звено. часть (3) показывает типичное устройство. Эластомер инкапсулировал магнитные частицы и обеспечивал необходимое механическое сцепление между ними. Было протестировано несколько материалов, и наиболее удовлетворительным оказался силиконовый каучук (Polycraft), который дает соединения с наименьшим количеством дефектов (отсутствие пузырьков воздуха) и хорошую адгезию к металлическим частицам. Механические свойства сформированных звеньев определяли с помощью самодельной микромеханической испытательной установки 9.0882 25 . Как показано на рисунке, характеристики растяжения-силы были линейными во всем рабочем диапазоне устройства с эффективной жесткостью пружины (1,67 ± 0,08) × 10 ^-2 Н м ^-1 и незначительным гистерезисом. показаны петли магнитного гистерезиса как для твердых, так и для мягких частиц, демонстрирующие ожидаемые и необходимые различия в их поведении.

Плавающие способности устройств изучались путем изучения их подвижности в двух измерениях на границе раздела жидкость-воздух. Экспериментальная установка показана на . Чашку Петри диаметром 148 мм, содержащую воду или водный раствор сахарозы, помещают внутрь пары катушек Гельмгольца, питаемых синусоидальным сигналом через стандартный аудиоусилитель. Частота варьируется в диапазоне 20–200 Гц при напряженности магнитного поля от 0,5 до 2,5 мТл. Устройства помещались на поверхность раздела жидкость-воздух (удерживались капиллярными силами) и наблюдались с помощью видеокамеры, подключенной к компьютеру. Устройство помещали в центр чашки, что гарантировало, что на него не будет воздействовать изогнутый мениск у краев чашки Перти (длина капилляра для воды составляет несколько миллиметров). Программное обеспечение для отслеживания частиц использовалось для определения как средней скорости, так и направления миграции пловца. Ассортимент растворов сахарозы различной кинематической вязкости (от 1 × 10 ^-6 до 2,4 × 10 ^-4  м ² с ^-1 ) использовались для исследования производительности пловцов на различных Re .

Скорость распространения

Систематическое исследование зависимостей средней скорости распространения от частоты и вязкости показало, что важным параметром является ориентация системы катушек относительно магнитного поля Земли (~0,02 мТл). показывает среднюю поступательную скорость устройства как функцию частоты при трех различных напряженностях поля, когда катушки выровнены параллельно полю Земли (т. е. линия, соединяющая геометрические центры двух витков катушки, параллельна направлению поля Земли). поле). Максимум на частотной зависимости наблюдается при 60 Гц при высокой напряженности поля (, 2,0 мТл), однако в целом скорость неуклонно снижается с увеличением частоты, (). показана зависимость средней скорости от вязкости для трех разных частот (опять же для параллельного выравнивания). Находим степенную зависимость, U ∝ ω ^A ν ^B , с A ≈ −0,6 (0,6 ± 0,2 на 1,0 мт, –0,4 ± 0,1 0,1. 2,0  мТл) и b близко к −1 (−0,9 ± 0,2 при 50 Гц, −1,0 ± 0,1 при 100 Гц и −1,0 ± 0,1 при 150 Гц). Эти результаты качественно согласуются с нашей теоретической моделью ²³ , которая предсказывает уменьшение скорости с увеличением частоты и вязкости (при достаточно высоких значениях этих параметров). Наше текущее моделирование частотной зависимости средней скорости распространения, включая влияние постоянного поля смещения (см. Дополнительный рисунок 1 (а)) показывает наличие максимума на низких частотах, за которым следует монотонное уменьшение скорости, по аналогии к экспериментальным данным (, 2,0  мТл). Следует ожидать количественных различий между теорией и экспериментом, поскольку в модели используется упрощенная геометрия (две сферические магнитные частицы, соединенные линейной пружиной нулевого объема и помещенные в объем жидкости). В текущих экспериментах формы двух частиц не являются сферическими, плавание происходит на границе раздела воздух-жидкость и, что более важно, упругий элемент имеет круглую форму, что, вероятно, значительно влияет на обтекание пловца жидкостью (вклад, который в теоретической модели пренебрегается). С учетом этих различий качественное соответствие между теорией и экспериментом является признаком надежности модели, способной уловить основные динамические эффекты, действующие в системе (см. также ниже). Диапазон чисел Рейнольдса, использованный в экспериментах (на основе максимальной средней скорости, достигнутой пловцами, их общей длины и вязкости жидкостей), составлял ~6 × 10 ^-5 и ~ 20, показывающие, что устройство способно к самодвижению при низких и средних Re .

Открыть в отдельном окне

Зависимость скорости от внешних факторов.

( a ) Средняя скорость как функция частоты в воде (кинематическая вязкость v = 1 × 10 ⁻⁶  м ² с ⁻¹ ) и системе катушек, параллельных магнитному полю Земли разная напряженность внешнего магнитного поля: 1,0 мТл (синие кружки), 1,5 мТл (красные треугольники) и 2,0 мТл (черные квадраты). Сплошные линии — это линии наилучшего соответствия (см. текст). ( b ) Средняя скорость как функция вязкости (система катушек параллельна магнитному полю Земли) при напряженности внешнего поля 1,5 мТл на разных частотах; 50 Гц (синие кружки), 100 Гц (красные треугольники) и 150 Гц (черные квадраты). Линии подходят лучше всего. ( c ) Средняя скорость как функция частоты в воде (кинематическая вязкость v = 1 × 10 ⁻⁶  м ² с ⁻¹ ) и системе катушек, перпендикулярных магнитному полю Земли, при различных внешних магнитных полях напряженность поля: 1,0 мТл (синие кружки), 1,5 мТл (красные треугольники), 2,0 мТл (черные квадраты) и устройство (D2) с увеличенным расстоянием между частицами от края до края 2,4 мм (3 мм между центрами) при 2,0 мТл (зеленые ромбы). Линии ориентируются только на глаз. ( d ) Средняя скорость как функция вязкости (система катушек перпендикулярна магнитному полю Земли) при напряженности внешнего поля 1,5 мТл на разных частотах; 50 Гц (синие кружки), 100 Гц (красные треугольники) и 150 Гц (черные квадраты). Линии подходят лучше всего. Планки погрешностей на всех графиках представляют среднеквадратичную ошибку скорости, рассчитанную для 20-секундного видео со скоростью 30 кадров в секунду.

показывают те же зависимости, но для перпендикулярной ориентации системы катушек по отношению к магнитному полю Земли. Такая ориентация существенно изменяет частотную зависимость средней скорости миграции (ср. ). В этом случае частотная зависимость уже не является монотонно убывающей и имеет более одного максимума даже при малых напряженностях поля. При более высоких напряженностях поля наблюдается тенденция к быстрому уменьшению скорости с увеличением частоты до ок. 110 Гц, после чего скорость снова начинает расти.

Очевидно, что наличие постоянного подмагничивающего поля (в данном случае магнитного поля Земли) является важным фактором, который можно использовать для контроля работоспособности пловца. Поле смещения обеспечивает дополнительную ось симметрии и способствует крутящему моменту, влияющему на скорость пловца. Мы предсказываем, что в зависимости от частоты это также приводит к переключению между различными режимами плавания (характеризующимися различиями в относительном движении двух магнитных частиц, см. ниже), что приводит к сложной частотной зависимости. Это убедительно подтверждается нашим текущим моделированием, которое показывает аналогичные различия в частотной зависимости между параллельным и перпендикулярным полем смещения (дополнительный рисунок 1). Для параллельной ориентации теоретическая зависимость имеет максимум на низкой частоте, но в основном снижается в режиме устойчивого плавания (дополнительный рисунок 1 (а), ср). Однако при приложении перпендикулярного смещения теоретическая частотная зависимость приобретает два максимума (в качественном сходстве с экспериментом, см. Дополнительный рисунок 1 (b) и ). Как эксперименты, так и симуляции демонстрируют богатую динамику, которая имеет значение для управления движением плавания (скоростью и направлением), как обсуждается ниже.

Дальнейшая экспериментальная характеристика результатов пловца приведена в файле с дополнительной информацией. На дополнительном рисунке 2 показана зависимость средней скорости от амплитуды внешнего поля на разных частотах (параллельное выравнивание). Как и ожидалось, скорость увеличивается с увеличением напряженности поля, однако на высоких частотах (150 Гц) средняя скорость достигает насыщения при высоких амплитудах внешнего поля.

Небольшое изменение геометрических параметров пловца (например, равновесного расстояния между магнитными частицами) резко влияет на эффективность плавания из-за сильной зависимости сил взаимодействия магнитных частиц с частицами от разделения частиц. Это показано на рисунке (зеленые ромбы), где увеличение расстояния примерно на 36% снижает скорость почти на два порядка. Динамика системы зависит от градиентных сил, создаваемых магнитами, упругости муфты и, следовательно, деформации упругой муфты в течение цикла колебаний. Магнитная сила между двумя частицами может быть оценена, если известна геометрия частиц ²⁶ (как показано на дополнительном рисунке 3, где также учитывается влияние напряженности внешнего поля на намагниченность частиц). Предполагая антипараллельное выравнивание намагниченности, внешнее поле 2,0  мТл и равновесное расстояние между частицами 2,2  мм (от центра к центру), и уравновешивая магнитную силу против силы упругости звена, мы получаем максимальное удлинение 0,25 мм (деформация ~7% длины). Если мы характеризуем деформацию одним параметром продольной деформации, теория предсказывает деформацию ~ 13% от общей длины. Если равновесное расстояние между частицами увеличить на ~36%, как для устройства D2 (показано зелеными ромбами), результирующее удлинение уменьшится до 0,13  мм, что в конечном итоге приведет к снижению скорости движения.

Направленное управление устройством

Одним из основных преимуществ представленного здесь пловца является то, что его направление движения можно легко контролировать, регулируя частоту и амплитуду приложенного внешнего магнитного поля, без пространственного перемещения системы катушек. подробно проиллюстрировать влияние частоты приложенного поля на ориентацию и траекторию движения устройства. При параллельном выравнивании между внешним полем и магнитным полем Земли () мы смогли контролировать направление распространения в пределах примерно 95°, регулируя частоту (см. траектории для 50 Гц и 150 Гц). Большой скачок в направлении между 80 Гц и 120 Гц обусловлен переходом между различными режимами плавания, вызванными критическими частотами. Когда два поля были выровнены перпендикулярно друг другу, пловец имел тенденцию мигрировать вправо (), но снова направление движения легко контролировалось изменением частоты. В этом случае мы добились несколько большего охвата пространства (около 115°), что видно из сравнения траекторий пловца для 60 Гц и 100 Гц.

Открыть в отдельном окне

Направленное управление с использованием внешних факторов.

Влияние частоты и амплитуды приложенного поля на направление миграции. Указаны направление приложенного магнитного поля, H , и магнитного поля Земли, H _E (~ 0,02  мТл). ( a ) Направление движения как функция частоты при 2,0 мТл для параллельного выравнивания между H и Н _Е . Средняя ориентация пловца схематически показана для каждой частоты. Конечная точка на каждой траектории приходится на 1,9  секунды. ( b ) Направление движения как функция частоты при 2,0  мТл для перпендикулярного выравнивания между H и H _E . Средняя ориентация пловца схематически показана для каждой частоты. Конечная точка на каждой траектории приходится на 1,9  секунды. ( с ) Траектория в виде восьмерки, полученная путем изменения частоты и амплитуды (дополнительный фильм 1). Четыре эскиза устройства показывают его ориентацию в соответствующие моменты времени. ( d ) Неподвижные кадры, показывающие направление распространения в четыре разных момента времени.

Амплитуда внешнего магнитного поля — еще один параметр, который можно использовать для обеспечения дополнительной степени контроля над направлением плавания. Когда частота и амплитуда регулируются одновременно, можно добиться практически любой траектории. Это продемонстрировано в том, что показывает высокую степень контроля, достигаемую только за счет изменения частоты и амплитуды в диапазонах 50–150 Гц и 0,5–2,0 мТл соответственно (см. Также дополнительный фильм 1). Положение, ориентация и мгновенное направление движения в четыре временные точки проиллюстрированы на снимках и обозначены в для ясности. В этом примере средняя скорость по траектории составляет 5,6 мм с ⁻¹ . Чтобы дополнительно проиллюстрировать управление устройством, на дополнительном рисунке 4 показан график траектории, на котором менялись как частота, так и амплитуда, когда система выровнена перпендикулярно магнитному полю Земли.

Важно отметить, что пловец может размножаться, используя различные режимы плавания. В некоторых случаях устройство распространяется в направлении своей основной оси (т. е. линии, соединяющей две магнитные частицы, см., например, при 50 Гц и 8 с). При других значениях параметров (частоты и амплитуды) мы наблюдаем движение в направлении, перпендикулярном главной оси пловца (например, при 100 Гц и 11 с). Наша теоретическая модель ²³ смог предсказать существование этих двух режимов движения, в которых направление движения либо вдоль, либо перпендикулярно главной оси пловца (см. ссылки ²³ и ). Моделирование предсказывает, что когда пловец движется вдоль своей главной оси, отдельные магнитные частицы демонстрируют волнообразные колебания большой амплитуды, а внутреннее движение напоминает «маятник» (см. Дополнительный фильм 2). Напротив, когда пловец движется перпендикулярно своей основной оси, он в основном качается под средним углом (см. Дополнительный фильм 3). Кроме того, текущее моделирование предсказывает наши экспериментальные данные о том, что направление движения можно контролировать с помощью частоты (дополнительный рисунок 5, см.) и что режим движения также зависит от частоты.

Представленные здесь результаты демонстрируют, как можно легко достичь высокого уровня контроля над скоростью и направлением распространения, настраивая частоту и амплитуду внешнего магнитного поля и добавляя к нему очень маленькое постоянное смещение (в данном случае поле Земли, ~0,02 мТл). Это было бы очень выгодно в технологических приложениях, требующих надежного срабатывания и управления.

Таким образом, мы описали изготовление нового автономного плавательного устройства, основанного на магнитных, упругих и гидродинамических взаимодействиях пары частиц (жесткий магнит NdFeB и мягкий магнит Fe), управляемых внешним осциллирующим магнитным полем. Мы исследовали реакцию пловца на изменения внешнего магнитного поля (частоты и амплитуды), а также вязкости жидкости и продемонстрировали, как с помощью параметров магнитного поля можно управлять его скоростью и направлением движения. Мы показали, что включение небольшого постоянного смещения к внешнему полю может быть полезным для установления более жесткого контроля как за направлением движения устройства, так и за его скоростью. Это устройство легко масштабируется до размеров в десятки микрометров, и, учитывая его способность плавать при низких числах Рейнольдса при надежном управлении, потенциально его можно использовать для решения широкого круга задач, таких как транспортировка в микрожидкостных средах и лаборатория на поверхности. -чиповые устройства или новые системы адресной доставки лекарств.

Материалы и изготовление устройств

Магниты NdFeB (5 × 2 × 0,45 мм) и проволока Fe с чистотой 99,5% (диаметр 0,5 мм) были приобретены у First4Magnets и Sigma-Aldrich соответственно. Материалы разрезали с помощью алмазного дайсера (LoadPoint Micro Ace 3 Dicing Saw) для получения твердых (0,6 × 0,6 × 0,45 мм) и мягких (0,7 мм длиной и диаметром 0,5 мм) частиц. Сахароза (х.ч.) и азид натрия были приобретены у Sigma-Aldrich и растворены в воде с помощью нагревающей магнитной мешалки для получения растворов сахарозы с концентрацией 30% (v = 2,48 × 10 ⁻⁶ M ² S ⁻¹ ), 40% (V = 4,41 × 10 ⁻⁶ M ² S ⁻¹ ), 50% (V = 1,011888888883333333 гг. M ² S ⁻¹ ), 60% (V = 3,45 × 10 ⁻⁵ M ² S ⁻¹ ) и 70% (V = 2,4 × 10 ^–4 3333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333. с ⁻¹ ). Азид натрия (30 мг на 100 мл) добавляли для предотвращения роста бактерий. Силиконовый каучук Polycraft и катализатор быстрого отверждения (GP-3481-F) были приобретены у MBFibreglass. Два компонента были смешаны в весовом соотношении 1:10 (катализатор:силикон) и помещены в латунную форму (собственного производства) с двумя частицами (для выравнивания направления твердой частицы используется постоянное магнитное поле). и отверждение при комнатной температуре в течение 6 часов. В пресс-формах изготавливались устройства с диаметром звеньев 2 мм и общей длиной 3,6 мм. Было изготовлено 6 устройств с разделением частиц 2,2 мм и 4 с повышенным разделением частиц (3 мм). Были испытаны и другие эластомеры. Силиконовый герметик Dow Corning 781, отвержденный при комнатной температуре в течение 4 часов, дал большое количество дефектов с пузырьками воздуха. Жидкий латекс (источник), отвержденный при комнатной температуре в течение 6 часов, также дал устройство с большим количеством видимых дефектов.

Измерение характеристик миграции

Каждая катушка магнитной системы имела приблизительно 560 витков шириной 61 мм, внутренним диаметром бобины 155 мм и высотой 37 мм.

Устройства помещали на границу раздела жидкость-воздух раствора сахарозы, содержащегося в чашке Петри диаметром 148 мм, и располагали в центре системы катушек. Прикладывали осциллирующее магнитное поле и наблюдали за движением пловца с помощью видеокамеры, подключенной к компьютеру. Программное обеспечение для отслеживания частиц (программное обеспечение с открытым исходным кодом – Tracker) использовалось для определения как средней скорости, так и направления распространения пловца. Видео имеют продолжительность 20 секунд (при 30 кадрах в секунду), и скорость измерялась между каждым кадром, и была взята среднеквадратическая ошибка.

Измерения магнитного гистерезиса и упругости

Петли магнитного гистерезиса отдельных частиц были получены с использованием магнитометра с вибрирующим образцом (MicroSense) при зондировании в диапазоне ±17 кЭ как для частиц NdFeB, так и для частиц Fe. Механические свойства сформированных звеньев определяли путем их установки в самодельную микромеханическую испытательную установку.

Доступность данных

Все данные, созданные в ходе этого исследования, находятся в открытом доступе в институциональном репозитории Эксетерского университета по адресу https://ore.exeter.ac.uk/repository/handle/XXXXX/YYYYY).

Как цитировать эту статью: Hamilton, J. K. et al . Магнитоуправляемые ферромагнитные поплавки. наук. Респ. 7 , 44142; doi: 10.1038/srep44142 (2017).

Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Дополнительная информация:

Нажмите здесь для просмотра. ^{(310K, pdf)}

Дополнительный фильм 1:

Нажмите здесь для просмотра. ^{(399K, avi)}

Дополнительный фильм 2:

Нажмите здесь для просмотра. ^{(851K, avi)}

Дополнительный фильм 3:

Нажмите здесь для просмотра. ^{(3.0M, avi)}

Этот проект получил финансирование от исследовательской и инновационной программы Horizon 2020 Европейского Союза в соответствии с соглашением о гранте № 665440. Мы также признательны за поддержку через Центр докторантуры EPSRC в области метаматериалов (грант № EP /L015331/1).

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.

Вклад авторов Ф.Ю.О. руководил проектом и разработал основную идею вместе с P.G.P., C.P.W., J.K.H. подготовили образцы, провели эксперименты и проанализировали данные. А.Д.Г. предоставил результаты численного моделирования наряду с основной теоретической базой проекта. Все авторы участвовали в обсуждении результатов и руководстве экспериментальной и численной работой. Дж.К.Х., Ф.Ю.О., М.Т.Б. и П.Г.П. написал черновик, и все авторы прокомментировали и оказали помощь в создании окончательной версии рукописи.

• Перселл Э. М. Жизнь при низком числе Рейнольдса. Являюсь. Дж. Физ. 45, 3–11 (1977). [Google Scholar]
• Шапер А. и Вильчек Ф. Геометрия самодвижения при малых числах Рейнольдса. Дж. Жидкостная механика. 198, 557 (1989). [Google Scholar]
• Лауга Э. и Пауэрс Т. Р. Гидродинамика плавающих микроорганизмов. Отчеты прог. физ. 72, 96601 (2009). [Google Scholar]
• Наджафи А. и Голестанян Р. Простой пловец при низком числе Рейнольдса: три связанные сферы. физ. Ред. E – Стат. Нелинейная физика мягких веществ. 69(2004). [PubMed] [Google Scholar]
• Наджафи А. и Заргар Р. Двухсферный винт с малым числом Рейнольдса. физ. Ред. E – Стат. Нелинейная физика мягких веществ. 81, 1–4 (2010). [PubMed] [Google Scholar]
• Леони М., Бассетти Б., Котар Дж., Чикута П. и Косентино Лагомарсино М. Минимальная двухсферная модель генерации течения жидкости при малых числах Рейнольдса. физ. Ред. E – Стат. Нелинейная физика мягких веществ. 81, 1–4 (2010). [PubMed] [Google Scholar]
• Howse J. R. и другие. Самодвижущиеся коллоидные частицы: от направленного движения к случайному блужданию. Письма о физическом обзоре 99, 48102 (2007). [PubMed] [Google Scholar]
• Ebbens S.J. & Howse J.R. В поисках движения в наномасштабе. Мягкая материя 6, 726 (2010). [Google Scholar]
• Соловьев А. А. и другие. Самоходные наноинструменты. АКС Нано 6, 1751–1756 (2012). [PubMed] [Google Scholar]
• Дас С. и другие. Границы могут управлять активными сферами Януса. Нац. коммун. 6, 8999 (2015). [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Исияма К., Сендо М., Ямадзаки А. и Араи К. И. Плавающая микромашина, приводимая в движение магнитным крутящим моментом. Приводы датчиков, A Phys. 91, 141–144 (2001). [Google Scholar]
• Дрейфус Р. и другие. Микроскопические искусственные пловцы. Природа 437, 862–865 (2005). [PubMed] [Google Scholar]
• Тиерно П., Голестанян Р., Пагонабаррага И. и Сагес Ф. Коллоидные микроплунжеры с магнитным приводом. Дж. Физ. хим. Б 112, 16525–16528 (2008). [PubMed] [Google Scholar]
• Тоттори С. и другие. Магнитные винтовые микромашины: изготовление, управляемое плавание и грузовой транспорт. Доп. Матер. 24, 811–816 (2012). [PubMed] [Академия Google]
• Медина-Санчес М. , Шварц Л., Мейер А. К., Хебенштрайт Ф. и Шмидт О. Г. Доставка клеточных грузов: к вспомогательному оплодотворению с помощью микромоторов, несущих сперму. Нано Летт. 16, 555–561 (2015). [PubMed] [Google Scholar]
• Майер А. М. и другие. Магнитное движение микропловцов с жгутиковыми связками на основе ДНК. Нано Летт. 16, 906–910 (2016). [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Камачо-Лопес М., Финкельманн Х., Палффи-Мухорай П. и Шелли М. Быстрый жидкокристаллический эластомер плывет в темноте. Нац. Матер. 3, 307–310 (2004). [PubMed] [Академия Google]
• Ли В., Ву С., Цинь Х., Чжао З. и Лю Х. Светоуправляемые и светоуправляемые микропловцы. Доп. Функц. Матер. 26, 3164–3171 (2016). [Google Scholar]
• Чанг С. Т., Паунов В. Н., Пецев Д. Н., Велев О. Д. Самодвижущиеся частицы и микронасосы с дистанционным питанием на основе миниатюрных диодов. Нац. Матер. 6, 235–240 (2007). [PubMed] [Google Scholar]
• Рао К. Дж. и другие. Сила, с которой нужно считаться: обзор синтетических микропловцов, работающих на ультразвуке. Маленький 11, 2836–2846 (2015). [PubMed] [Академия Google]
• Эрб Р. М., Мартин Дж. Дж., Сохейлиан Р., Пан К. и Барбер Дж. Р. Воздействие на мягкую материю с помощью магнитного крутящего момента. Доп. Функц. Матер. 3859–3880 (2016). [Google Scholar]
• Огрин Ф. Ю., Петров П. Г., Уинлов С. П. Ферромагнитные микроплунжеры. физ. Преподобный Летт. 100, 218102 (2008). [PubMed] [Google Scholar]
• Гилберт А. Д., Огрин Ф. Ю., Петров П. Г., Уинлов С. П. Теория ферромагнитных микроплунжеров. QJ Мех. заявл. Мат. 64, 239–263 (2011). [Академия Google]
• Гилберт А. Д., Огрин Ф. Ю., Петров П. Г. и Уинлов С. П. Движение и смешивание для нескольких ферромагнитных микроплавателей. Евро. физ. Дж. Э. 34, 121–130 (2011). [PubMed] [Google Scholar]
• Алхули Н. и другие. Механические свойства жировых тканей человека и их взаимосвязь со структурой и составом внеклеточного матрикса. Являюсь. Дж. Физиол. Эндокринол. Метаб. 305, E1427–35 (2013). [PubMed] [Google Scholar]
• Аллаг Х.