ИСТИНА

Целью проекта является экспериментальное и теоретическое определение особенностей поступательного и вращательно броуновского движения одиночных магнитных микрочастиц захваченных в оптические ловушки во внешнем однородном магнитном поле, подобранном таким образом, что энергии взаимодействия микрочастиц с полем и друг с другом сравнимы с энергией тепловых флуктуаций. Для достижения цели планируется провести модификацию установки оптического пинцета, выполнить измерение корреляционных функций движения нескольких микрочастиц, и аналитически определить связь между многочастичной и парной корреляционными функциями движения микрочастиц. Планируется определить влияние броуновского вращения на движение микрочастиц во внешнем вращающемся магнитном поле, а также, с помощью измерения силы Магнуса, действующей на вращающуюся микрочастицу в однородном потоке, определить связь между поступательным и вращательным движением броуновской микрочастицы. Объектом исследования являются взвешенные в жидкости суперпарамагнитные частицы размером от 500 нм до 3 мкм, изготовленные из полистирола с вкраплениями наночастиц магнетита. Для решения поставленных задач будет использован метод оптического пинцета, позволяющий проводить измерение траекторий движения захваченных объектов с точностью до единиц нанометров, и измерять силы, действующие на микрообъекты с точностью до фемтоньютон. Коллективом авторов уже проведены первые работы по измерению сил взаимодействия магнитных микрочастиц методом оптического пинцета. Для успешного выполнения данного проекта создан задел как в области подготовки экспериментального оборудования и разработки методик, так и в области теоретических исследований рассматриваемых явлений.

По завершению проекта планируется получить экспериментальные результаты и разработать теоретическую модель для движения магнитных микрочастиц во внешнем магнитном поле. Планируется экспериментально получить корреляционные функции движения двух, трех и более частиц. Получить траектории и спектр частот вращения при движении микрочастицы во внешнем вращающемся поле, определить влияние броуновского вращения на движение частицы, определить связь между поступательным и вращательным движением частицы в жидкости, получить экспериментальное значение силы Магнуса. В ходе выполнения проекта будут получены: - экспериментально измеренная корреляционная функция смещений двух оптически захваченных магнитных микрочастиц вдоль линии, перпендикулярной прямой, соединяющей центры частиц (случай поперечного движения); - экспериментально измеренные корреляционные функции движения нескольких магнитных микрочастиц (от трех до семи), при движении вдоль линии, соединяющей центры частиц (продольное движение) и перпендикулярно этой линии (поперечное движение); - аналитически полученные приближенные решения уравнения Ланженена и выражения для корреляционных функций движения взаимодействующих микрочастиц, связь между многочастичной корреляционной функцией движения магнитных частиц и корреляционной функцией смещений пары микрочастиц; - экспериментально измеренная зависимость частоты вращения микрочастицы в оптической ловушке во внешнем вращающемся магнитном поле от частоты вращения магнитного поля; - экспериментально измеренная зависимость критической частоты перехода вращения магнитной микрочастицы от режима однородного вращения к режиму неоднородного вращения от величин напряженности магнитного поля, мощности лазера оптической ловушки и вязкости среды; - траектории вращения микрочастиц в внешнем магнитном поле и зависимости средней частоты вращения частицы от частоты вращения поля, полученные с помощью численного моделирования методом Монте-Карло; - экспериментально измеренная сила Магнуса, действующая на вращающуюся магнитную микрочастицу в однородном потоке жидкости, зависимости силы Магнуса от частоты вращения частицы и от скорости потока жидкости; - разработанная аналитическая модель, описывающая связь поступательного и вращательного движения частиц микроскопических размеров в жидкости для очень малых чисел Рейнольдса и в присутствии броуновского движения, полученная аналитическая оценка силы Магнуса.