一种基于非球形分子动力学模拟的磁流体光栅制造技术

一种基于非球形分子动力学模拟的磁流体光栅，属于计算机分子模拟技术领域；所述光栅基于非球形粒子的分子动力学方法，由磁性球杆形结构纳米粒子以一维光栅的排列形式在沿着x轴的均匀磁场作用下排列组成；本实用新型专利技术提出的这种磁诱导方法所形成的光栅，能考虑平动和转动两种过程，不仅能计算出粒子呈链的过程，还能模拟出粒子进一步聚集形成磁柱的过程，更能符合实际情况，相比传统的填充方式，大大降低了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非球形分子动力学模拟的磁流体光栅
本技术属于计算机分子模拟
，具体涉及一种基于非球形分子动力学模拟的磁流体光栅。
技术介绍
磁流体是一种新型的功能材料，对其微观结构的研究是磁流体基础理论研究的重要问题，这对于进一步光学传感特性的研究具有指导意义。传统研究磁流体微观结构形成机理的理论主要包括分子动力学、蒙特卡洛法、耗散粒子动力学和离散格子波尔兹曼方法。利用这些传统方法虽然能够仿真出磁流体中磁性粒子在磁场作用下简单成链的过程，但无法进一步反应磁链聚集的过程以及磁链排列的方式。由于大部分文献都选取球形粒子作为分析对象，然而，球形粒子在计算中，仅仅能反映出来粒子的平动所产生的效果。实际情况下，磁流体中磁性粒子在运动过程中，既有平动又有转动，而球形粒子无法有效考虑转动过程的影响。球形模型不准确的另一个原因就是现实中的磁流体在放置一段时间后，会产生弱凝絮现象，在光学显微镜下观察，呈现一系列不规则形状。
技术实现思路
针对现有技术方法的不足，本技术提出一种基于非球形分子动力学模拟的磁流体光栅。一种基于非球形分子动力学模拟的磁流体光栅，由磁性纳米粒子在磁场作用下排列组成，以一维光栅的排列形式；所述的磁性纳米粒子为球杆形结构模型，球杆形粒子两端分别携带的磁荷量相反，磁性粒子的长度为直径的5倍；所述磁场方向为沿着x轴的均匀磁场，磁场强度H为100Oe。所述磁性粒子间的相互作用以粒子间相互作用力与粒子间相互转矩的形式进行，且采用周期性边界条件，作用半径设置为250nm。所述磁性纳米粒子为四氧化三铁离子，磁性粒子表面携带10nm厚度的表面活性剂。所述表面活性剂为油酸钠。本技术的一种基于非球形分子动力学模拟的磁流体光栅，与现有技术相比，有益效果如下：传统的基于球形粒子的分子动力学方法只能考虑平动过程，仅仅能计算出粒子呈链的过程，而基于非球形粒子的分子动力学方法能考虑平动和转动两种过程，不仅能计算出粒子呈链的过程，还能模拟出粒子进一步聚集形成磁柱的过程，更能符合实际情况。此外，传统的磁流体光栅都是采用填充光纤光栅的技术方式来实现，成本较高，本技术提出的这种磁诱导方法所形成的光栅，相比传统的填充方式，大大降低了成本。附图说明图1本技术实施例中磁性粒子在H＝100Oe下，Δt＝20s微观排列。图2本技术实施例中磁性粒子在H＝100Oe下，Δt＝200s微观排列。图3本技术实施例中磁性粒子在H＝100Oe下，Δt＝400s微观排列。图4本技术实施例中磁性粒子在H＝100Oe下，Δt＝1800s微观排列。具体实施方式为了更清楚地说明本技术，下面结合具体实施例和附图对本技术做详细说明。实施例一种基于非球形分子动力学模拟的磁流体光栅，由磁性纳米粒子在磁场作用下排列组成，以一维光栅的排列形式；所述的磁性纳米粒子为三维球杆形结构模型，球杆形粒子两端分别携带的磁荷量相反，磁性粒子的长度为直径的5倍；磁场方向为沿着x轴的均匀磁场，磁场强度H为100Oe。所述磁性粒子间的相互作用以粒子间相互作用力与粒子间相互转矩的形式进行，且采用周期性边界条件，作用半径设置为250nm。所述磁性纳米粒子为四氧化三铁离子，磁性粒子表面携带10nm厚度的表面活性剂。所述表面活性剂为油酸钠。一种基于非球形分子动力学模拟的磁流体光栅的模拟方法，包括以下步骤：步骤1，磁性粒子初始化：在matlab软件上建立一个长度、宽度均为800nm，高度为200nm的磁流体模型，其中包含432个粒子，粒子直径为10nm，长度为50nm，采用均匀分布方法初始化磁性粒子的位置，由于每个磁性粒子为三维，分布对坐标值及粒子方向与三个轴的夹角进行初始化，磁性粒子坐标值(Xi，Yi，Zi)与角度(θx，θy，θz)分别为公式1～6：Xi＝rand(0，1)·Lx(1)Yi＝rand(0，1)·Ly(2)Zi＝rand(0，1)·Lz(3)θx＝rand(0，1)·2π(4)θy＝rand(0，1)·2π(5)θz＝rand(0，1)·2π(6)其中，Lx＝800nm，Ly＝200nm，Lz＝800nm，rand(0，1)为[0，1]间产生的随机数；步骤2，力和力矩的计算：计算在作用半径内每两个磁性粒子的力和力矩，磁性粒子所受的力包括粒子间磁作用力以及排斥力磁场粒子所受的转矩包括粒子间转矩以及外磁场转矩分别表示为公式7～10：TiH＝μ0mi×H＝μ0(l0qei)×H(10)其中，和为正磁荷端和负磁荷端所受的力，粒子直径d＝10nm，表面活性剂分子数量ns＝1018/m2，玻尔兹曼系数K＝1.38×10-23J/K，环境温度T＝300K，表面活性剂厚度δ＝1.5nm，磁性粒子距离磁性粒子向量磁性粒子长度l0＝50nm，磁性粒子方向向量(r+和r-分别为磁性粒子正磁荷端和负磁荷端的位置)，磁性粒子磁矩mi＝2×10-19T·m2，外界磁场H＝100Oe，磁导率μ0＝4π×10-7N/A2，磁荷q＝1.05×10-34wb；步骤3，速度和角速度的计算：根据磁性粒子的力和力矩，可得粒子的速度与角速度vi和ωi，表示为公式11～12：其中，和分别为平行于粒子轴线和垂直于粒子轴线的速度，和分别为平行于粒子轴线和垂直于粒子轴线的角速度；步骤4，磁性粒子位置和指向的确立：分别计算磁性粒子在Δt＝20s、200s、400s、1800s秒后的位置ri和指向ei，表示为公式13～14：ri(t+Δt)＝ri(t)+Δt·vi(t)(13)ei(t+Δt)＝ei(t)+Δt·ωi(t)×ei(t)(14)其中，t为初始时间。观察本实施例在磁场强度H＝100Oe下，时间Δt＝20s下磁流体微观结构。如图1所示，磁性粒子在较短时间时，磁矩方向有沿磁场方向变化趋势，但变化并不明显，磁性粒子大多数处于离散状态，这种现象的原因是因为磁性粒子本身存在磁偶势能和布朗力，粒子在较短时间内不能够克服磁偶势能和布朗力进行运动。观察本实施例在磁场强度H＝100Oe下，时间t＝200s下磁流体微观结构。如图2所示，经过一段时间后，开始有少数磁性粒子成链趋势，少量磁柱形成，磁性粒子的磁矩方向有沿着磁场方向变化的趋势，但磁矩方向仍不完全平行磁场方向，此刻磁柱与磁柱之间无明显规律。这种现象的原因是因为磁性粒子在此刻刚刚能够克服磁偶势能进行运动，但未能达到饱和磁化强度状态。观察本实施例在磁场强度H＝100Oe下，时间t＝400s下磁流体微观结构。如图3所示，磁性粒子在此刻的磁矩方向完全沿着磁场方向排列，粒子呈链状结构，但链与链之间无明显规律性，链的直径增大，数目减少，并且链与链之间从最初的无规律结构趋向于有规律的趋势排列，少数链的直径大小不一，且链之间仍有少量磁性粒子存在。这种现象的原因是因为磁性粒子在此刻开始克服磁偶势能进行运动。观察本实施例在磁场强度H＝100Oe下，时间t＝1800s下磁流体微观结构。如图4所示，磁性粒子在此刻迅速成链，链与链之间最终能够形成一维光栅的排列形式，且每个链的直径大小相一致，链与链之间游离粒子消失。磁流体的这种具有的一维排列形式类似光栅结构，这种排列为本技术提出的磁流体光栅。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非球形分子动力学模拟的磁流体光栅，其特征在于，所述光栅由磁性纳米粒子以一维光栅的排列形式在磁场作用下排列组成；所述的磁性纳米粒子为球杆形结构模型，球杆形粒子两端分别携带的磁荷量相反，磁性粒子的长度为直径的5倍；所述磁场方向为沿着x轴的均匀磁场，磁场强度H为100Oe。

【技术特征摘要】
1.一种基于非球形分子动力学模拟的磁流体光栅，其特征在于，所述光栅由磁性纳米粒子以一维光栅的排列形式在磁场作用下排列组成；所述的磁性纳米粒子为球杆形结构模型，球杆形粒子两端分别携带的磁荷量相反，磁性粒子的长度为直径的5倍；所述磁场方向为沿着x轴的均匀磁场，磁场强度H为100Oe。2.根据权利要求1所述的一种基于非球形分子动力学模拟的磁流体光栅，其特征在于，所述磁性...

【专利技术属性】
技术研发人员：英宇，许可，戚爰伟，
申请(专利权)人：沈阳建筑大学，
类型：新型
国别省市：辽宁,21