《Journal of Molecular Liquids》：Influence of particle-matrix coupling and magnetic anisotropy on the dynamic response of magnetic elastomers: A molecular dynamics study
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磁弹性体的零场动态磁响应研究基于粗粒度分子动力学模拟，对比分析S1（仅限制粒子平动）和S2（限制平动与旋转）两种耦合模型。结果表明S1主要受偶极相互作用和磁各向异性调控，而S2在弹簧刚度高及各向异性强时机械约束显著影响磁弛豫。揭示了粒子-基体耦合与磁各向异性共同作用下的动态响应机制。
作者：Alla B. Dobroserdova, Sofia S. Kantorovich
所属机构：乌拉尔联邦大学自然科学与数学研究所，地址：Lenin av. 51, 620000, 叶卡捷琳堡，俄罗斯
摘要
磁性弹性体由嵌入聚合物基质中的磁性颗粒组成，由于磁相互作用、颗粒各向异性和基质弹性的共同作用，它们表现出复杂的宏观响应。通过使用粗粒化分子动力学模拟，我们研究了两种模型系统的零场动态磁响应：在S1模型中，基质仅对颗粒的平移施加弹性约束；而在S2模型中，颗粒的平移和旋转都会受到弹性惩罚。我们系统地改变颗粒磁矩、内部各向异性和弹簧刚度，以评估它们对动态磁化率和颗粒取向分布的影响。研究结果表明，在S1模型中，磁响应主要受偶极相互作用和各向异性的控制，基质刚度的作用较小；相比之下，S2模型明显依赖于弹簧刚度，尤其是在高各向异性情况下，机械约束显著影响磁弛豫过程。这些发现表明，偶极相互作用、磁各向异性和机械约束的结合产生了丰富的弛豫行为谱，突显了颗粒-基质耦合在调节磁性弹性体动态性能中的关键作用。
引言
在过去二十年里，含有嵌入非磁性弹性聚合物基质中的磁性颗粒的系统（如磁性纤维、凝胶和弹性体）引起了越来越多的关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。这种关注的主要原因是，这些系统的宏观形状、磁响应、机械响应和流变响应可以通过外部磁场进行控制[21]、[22]、[23]。通常，在施加外部磁场时，磁性凝胶和弹性体会表现出快速而强烈的形变，其弹性模量可能具有空间各向异性[22]、[24]。这类材料不仅可以用于制造自适应阻尼装置、减震器或小型操纵器和传感器，还可以用于制造再生医学和移植学所需的人工肌肉和组织基质[16]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。
需要强调的是，弹性体的机械和磁性能在很大程度上取决于聚合物基质的特性、嵌入颗粒的大小、磁性质和移动性，以及颗粒与载体基质的相互作用。然而，由于磁性凝胶和弹性体的光学和结构特性，发生在几微米及以下尺度上的过程非常难以观察，且不会改变样品的结构或完整性。同时，这些过程对宏观响应至关重要[33]、[34]、[35]。不仅实验观察磁性凝胶和弹性体的微观结构变化是一项技术挑战，纯理论方法也面临着准确考虑颗粒间相互作用、多分散性和颗粒与支撑基质之间键合产生的机械力的挑战。另一方面，计算机建模在理解磁性凝胶和弹性体方面取得了显著进展，前提是计算能够充分结合样品中发生的空间和时间尺度[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]。
现有的实验计算机断层扫描方法可以生成弹性体内部颗粒的静态图像；然而，这些方法尚不适合研究结构变化的动态过程，并且受到颗粒大小和形状的限制[33]、[34]、[35]。纯分析方法通常是连续的[49]、[50]、[51]、[52]、[53]，即尽管它们在时间分辨率上优于断层扫描，但在磁性颗粒的空间分辨率、形状、固定方法及其内部磁各向异性方面存在不足。磁性弹性体的计算机模拟也面临一个问题：虽然可以模拟聚合物基质中磁性颗粒集合体的行为，但现有方法无法同时考虑颗粒的个体磁响应和其内部各向异性。
因此，软磁材料领域面临一个核心挑战：确定控制磁性弹性体宏观动态磁响应和机械响应的基本微观机制。尽管进行了大量的实验和理论研究，但颗粒尺度动力学与整体材料行为之间的联系仍未完全理解。在这项工作中，我们利用粗粒化分子动力学模拟研究了整体弹性体的零场动态磁响应，系统地探讨了这种响应如何依赖于颗粒-基质耦合的强度和嵌入颗粒的内部磁各向异性。通过分离和控制这些关键参数，我们的方法揭示了主导的弛豫机制及其与弹性环境的相互作用，从而有助于更深入地理解磁性弹性体的动态行为。
部分内容摘录
相互作用
磁性弹性体由分布在非磁性弹性基质中的磁性颗粒组成。在最简单的模型中，磁性颗粒被表示为理想的磁硬球，直径为
