铁磁流体微观结构的分子动力学研究：多分散、双分散与单分散模型的等效性对比分析

本研究针对铁磁流体(Ferrofluids)微观结构模拟中分散模型选择的关键问题，通过分子动力学(MD)模拟系统比较了多分散(Polydisperse)、双分散(Bidisperse)和单分散(Monodisperse)模型的差异。发现单分散模型对链状结构数量的低估可达86%，且无法再现长链密集分布特征，为铁磁流体微观结构研究提供了模型选择依据。

　　

铁磁流体这种由磁性纳米颗粒悬浮在载液中形成的智能材料，在磁场作用下会展现出神奇的链状自组装行为，这种微观结构直接决定了其磁流变、热传导等重要特性。然而现实中10²³个/m³量级的纳米颗粒存在复杂尺寸分布（多分散性），但现有模拟研究多采用简化的单/双分散模型，这种"理想化"处理会带来多大偏差？这个问题的解答对精确预测铁磁流体性能至关重要。

广东基础与应用基础研究基金支持的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表的工作，首次建立了多分散、双分散和单分散系统的等效条件，并采用ESPResSo软件进行分子动力学模拟。研究通过对比无磁场/有磁场条件下链状结构特征，揭示了简化模型对微观结构的关键影响。

关键技术包括：1）基于等效条件构建三种分散模型；2）采用Ewald求和法处理长程偶极相互作用；3）通过能量/距离标准进行团簇分析；4）在周期性边界条件下追踪10³量级颗粒的动力学行为。

【粒子尺寸分布】
建立包含磁性核心直径x和表面活性剂层厚度δ的颗粒尺寸模型，指出实际多分散系统更符合对数正态分布，而单/双分散模型会丢失这种连续分布特征。

【结果与讨论】
模拟显示：单分散模型对链状结构数量的低估最高达86%，且无法形成多分散系统中的长链密集结构；无磁场时双分散模型低估平均链长，单分散模型在低偶极耦合参数(λ)时低估而在高λ时高估；施加磁场后两种简化模型均低估链长，且浓度越高偏差越大（最大38.6%）。

【结论】
该研究首次量化了不同分散模型对铁磁流体微观结构的影响：单分散模型对链状聚集的预测偏差最显著，尤其在较高浓度和偶极耦合强度时；双分散模型虽优于单分散但仍与多分散系统存在系统性差异。这些发现为后续研究提供了模型选择标准，对精确模拟铁磁流体的磁流变效应、自扩散行为等具有重要意义。研究还指出，大颗粒（即使少量存在）通过强偶极-偶极相互作用会显著改变系统微观结构，这为设计高性能铁磁流体提供了新思路。