Группа российских учёных исследовала свойства долговечных магнитореологических жидкостей — суспензий, которые могут менять свою густоту и другие свойства под действием магнитного поля. Такие вещества особенно актуальны для мягкой робототехники, где достаточно распространена потенциальная необходимость в быстром и обратимом управлении жесткостью материалов. Результаты исследования были опубликованы в журнале «Высокомолекулярные соединения» (№4, 2026).
Магнитореологические жидкости представляют собой взвеси микроскопических ферромагнитных частиц в силиконовой среде. Под действием внешнего магнитного поля частицы способны мгновенно выстраиваться вдоль силовых линий и сцепляться, превращая жидкую среду в подобие твердого тела. Однако у магнитореологических жидкостей есть несколько фундаментальных недостатков. К примеру, крупинки металла по своей природе тяжелее силикона, а значит, со временем они оседают. К тому же существует такое понятие, как остаточная намагниченность — явление, которое характеризует способность материала сохранять намагниченность после снятия внешнего магнитного поля.
Дело в том, что внутри каждого ферромагнитного материала (например, железа) существуют магнитные домены — микроскопические области, в каждой из которых магнитные моменты направлены преимущественно в одну сторону. В обычном состоянии эти домены в материале ориентированы хаотично и гасят друг друга. При появлении внешнего поля происходит переориентация магнитных доменов и смещение их границ, что приводит к намагничиванию материала. Казалось бы, при снятии внешнего магнитного поля намагниченность должна исчезать, однако в реальных условиях этого не происходит из-за дефектов кристаллической решетки, примесей и границ зерен. В результате часть доменов остается ориентированной в прежнем направлении. Остаточная намагниченность приводит к тому, что крупинки металла связываются в конгломераты, что существенно ускоряет и делает необратимым процесс их осаждения.
Исследователи предложили покрыть магнитные частицы тонкой оболочкой из диоксида кремния (SiO2). Такая немагнитная оболочка подавляет межчастичную агрегацию в отсутствие внешнего магнитного поля, повышая седиментационную устойчивость суспензии (способность дисперсной системы сохранять равномерное распределение частиц по всему объему). При этом, согласно результатам исследования, покрытие не ухудшает её магнитореологический отклик. Таким образом, удалось совместить устойчивость дисперсной системы с возможностью управлять ее механическими свойствами с помощью внешнего магнитного поля.
Формирование SiO2-оболочки существенно повышает седиментационную устойчивость магнитореологических жидкостей, предположительно за счёт подавления межчастичной агрегации, и не ухудшает их магнитореологический отклик, что делает данный подход перспективным для создания стабильных функциональных композиций
, — отметили авторы публикации.
Исследователи проверили свойства новых суспензий на реометре (приборе для измерения реологических свойств материалов) в магнитных полях до 1 Тл. Эксперимент продемонстрировал, что при таких воздействиях вязкость и упругость суспензий возрастают на несколько порядков. Становится возможным гибко управлять жесткостью материала, причем с увеличением напряжённости магнитного поля возрастает сопротивление деформации суспензии. Магнитное поле также воздействует на ряд других свойств суспензий, таких как электропроводность и теплопроводность.
По мнению ученых, исследование открывает путь к созданию долговечных механизмов для мягкой робототехники. В частности, такие суспензии могут имитировать работу биологических мышц.
Источник: Российская академия наук