含有阴离子和阳离子表面活性剂混合物的水溶液相行为研究

《Journal of Molecular Liquids》：Investigation of the phase behavior of an aqueous solution comprising anionic and cationic surfactant mixtures

纳米颗粒磁各向异性导致链状聚集行为及其外磁场强化效应研究。通过密度泛函理论和蒙特卡洛模拟发现，超顺磁纳米颗粒在零场下磁矩涨落不影响链形成，但外磁场显著增强易磁化轴取向一致性和链结构稳定性，与文献[4]理论预测吻合。

　　在磁性粒子悬浮液（通常称为磁流体）的研究中，科学家们长期以来关注的是这些材料在外部磁场作用下的行为特性。磁流体因其能够对外部磁场做出显著反应，同时仍保持液体状态的流动性，而受到广泛研究。这种独特的物理特性使得磁流体在现代高科技和生物医学领域具有重要的应用价值，如细胞治疗、磁热疗、磁对比成像等。磁性粒子通常通过化学沉淀法合成，其晶体结构较为明确，形状接近球形，并且表面覆盖有表面活性剂分子以防止不可逆的聚集。

在这些研究中，链状结构的形成是其中一个重要的现象。链状结构的出现通常与磁性粒子之间的相互作用有关，特别是磁偶极-磁偶极相互作用。这种相互作用不仅增强了磁流体的静态磁响应，还改变了动态磁响应的频率分布。值得注意的是，磁偶极相互作用的一个重要结果是，磁性粒子的易磁化轴在磁场作用下趋向于对齐，形成类似“头尾”排列的链状结构。这种结构的形成在实验和理论研究中都得到了广泛验证。

然而，传统的理论模型主要基于磁性粒子具有固定的磁偶极子，且在粒子中心位置。这与实际的纳米磁性粒子（SNPs）行为存在差异。纳米磁性粒子由于其尺寸通常在10纳米左右，磁性各向异性能量与热能相近，因此其磁矩在粒子内部会经历波动。这种波动现象被称为超顺磁性，是纳米磁性材料的一个重要特征。超顺磁性导致磁矩在外部磁场作用下产生额外的自由度，这不仅增加了计算机模拟的复杂性，也对磁流体的宏观性质产生影响。

因此，本文提出了一种新的理论模型，用于研究在外部静态均匀磁场作用下，超顺磁性纳米粒子悬浮液的结构行为。该模型考虑了磁性粒子的七种自由度：五种涉及其平动和转动行为，另外两种则来源于磁矩的波动。通过发展密度泛函理论，研究团队发现，即使在超顺磁性粒子内部存在磁矩波动，这种波动对链状结构的形成并没有显著影响。这一发现与之前关于磁流体链状结构形成的理论模型有所不同，因此具有重要的科学意义。

为验证这一理论结论，研究团队进行了广泛的计算机模拟，采用蒙特卡洛方法。模拟过程在具有NVT（粒子数、体积、温度）系综的条件下进行，研究对象为具有较强磁偶极相互作用的纳米粒子悬浮液。模拟的立方容器具有边长L，并采用三维周期性边界条件以模拟无限大的系统。为了处理长程的磁偶极相互作用，研究团队采用了Ewald求和技术，结合导电边界条件，确保计算的准确性。

在模拟过程中，纳米粒子的平动和转动位移均以相同概率进行，以模拟其在悬浮液中的随机运动。此外，研究团队还考虑了磁偶极相互作用对纳米粒子结构的影响，特别是链状结构的形成。模拟结果显示，在低浓度的悬浮液中，磁偶极相互作用较强时，可以形成较短的链状结构。而在高浓度下，链状结构变得更加明显，且其长度和结构稳定性也受到磁场强度的影响。

进一步的研究还关注了磁偶极相互作用对磁矩波动的影响。通过分析模拟结果，研究团队发现，当磁偶极相互作用较强时，链状结构的形成不仅增强了磁矩的对齐效应，还对磁矩的波动产生抑制作用。这种抑制作用可能与磁矩在链状结构中受到的约束有关，从而改变了磁流体的整体磁响应特性。

此外，研究团队还探讨了磁流体在不同磁场强度下的宏观行为。结果显示，随着磁场强度的增加，链状结构的形成变得更加显著，且其对磁矩波动的抑制作用也随之增强。这种现象可能对磁流体在实际应用中的性能产生重要影响，特别是在生物医学领域，如磁热疗和磁对比成像。

在理论模型的构建过程中，研究团队特别关注了磁矩波动对链状结构形成的影响。通过发展一种简化的磁流体模型，研究团队假设所有磁性纳米粒子具有相同的磁矩，并忽略了许多实际的物理和化学因素，如粒子尺寸分布、表面活性剂层厚度变化等。这种简化有助于提高计算效率，同时仍能捕捉到磁流体在磁场作用下的主要行为特征。

综上所述，本文的研究揭示了超顺磁性纳米粒子悬浮液在外部磁场作用下的结构行为特性。研究结果表明，磁偶极相互作用对链状结构的形成起着关键作用，而磁矩波动对链状结构的影响相对较小。这一发现不仅丰富了磁流体结构行为的研究内容，也为进一步探索磁流体在实际应用中的性能提供了理论依据。