磁场与流场作用下磁化微球周围纳米粒子云的行为

当将微米级可磁化粒子引入纳米级磁性粒子的悬浮液中时，纳米粒子会在微粒子周围积聚，形成沿外加磁场方向延伸的厚各向异性云。这一现象促进了双模态磁性悬浮液的胶体稳定性，并允许高效分离用于生物分析和水净化的纳米粒子。在本工作中，详细研究了在外加均匀磁场和流动共同作用下纳米粒子云的尺寸和形状。实验中，将平均直径为 60 nm 的氧化铁纳米团簇的稀悬浮液推过狭缝通道，通道壁上附着有平均直径为 50$\mu$m 的镍微球。利用光学显微镜在稳态下观察纳米团簇云的行为。在存在足够强流动的情况下，无论是在纵向还是横向磁场中，云的尺寸均随流速增加而单调减小。这定性地归因于流体动力增强，将纳米团簇从云中冲走。在纵向磁场中，流动导致前后云产生不对称性。为解释流动和磁场对云的影响，我们开发了一个基于云表面应力和粒子通量平衡的简单模型。将该模型应用于磁场平行于流动的情况，能较好地捕捉流动对云尺寸和形状的影响，并揭示控制云尺寸的唯一无量纲参数是流体动力与磁力之比——Mason 数。在本工作考虑的强磁相互作用（偶极耦合参数 $\alpha \geq 2$）下，布朗运动似乎不影响云的行为。