一种基于交叉长方体磁体空间磁场解析分析以优化纳米磁体构型的方法技术

本发明专利技术的实施例公开了一种采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法，包括：建立待构型纳米磁体的三维模型；根据所述待构型纳米磁体的边界参数和材料参数，进行解析计算，得到包括所述待构型纳米磁体内部的磁场分布及磁场梯度的三维模型；在所述三维模型中，根据所述待构型纳米磁体的空间磁场分布及磁场梯度、纳米粒子在磁场中的受力分布特点对所述待构型纳米磁体的磁场分布进行分析，修正所述待构型纳米磁体的结构。本发明专利技术能够适用于更加复杂多变的磁体的磁场应用，为更多样的磁场分布、粒子受力分析的研究及磁体结构的优化设计提供方法。计提供方法。计提供方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于交叉长方体磁体空间磁场解析分析以优化纳米磁体构型的方法


[0001]本专利技术涉及纳米磁场粒子组装
，特别涉及一种采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法。

技术介绍

[0002]近年来，纳米技术的研究主要集中于纳米材料。纳米粒子可以通过有序排列构成具有特殊电学、光学、磁学等性质的材料，在图像、传感及生物医学中有着重要的应用价值，提高纳米尺度可控自组装的准确性随即成为了制造新型纳米材料和器件的重要研究方向。其中，磁场控制粒子组装具有无接触、靶向性强、可控性强等优点，磁性纳米粒子在催化、磁共振成像和癌症检测等方面也都得到了广泛的关注。
[0003]磁场不仅能使具有磁性的粒子在磁场中取向排列后通过静磁力自组装成有序的组织结构，还可使抗磁性材料在磁场中形成有序组织。相比于其他的自组装驱动源，磁场控制不仅能实现粒子的自组装，还能控制粒子的自组装，是制备有序结构材料新的研究领域。研究发现，磁性生物分子在外磁场作用下可以形成有序的自组装图案结构，有望在生物传感等方面得到应用。利用磁性纳米颗粒在磁场下的响应，可以引导与磁性纳米颗粒共轭结合的蛋白质自组装形成具有周期性结构的微管，在分子输运、新型仿生材料等方面具有重要的应用价值。制取链状结构的磁性纳米材料时，利用磁场控制自组装能够有效消除由于微小粒子的强表面作用给材料制备带来的困难，具有独特物理性能的链状结构磁性纳米材料在高密度数据存储、微米器械传感器、磁电传输行为以及生物医药等方面都有着广阔的应用前景。此外，不仅限于磁性材料，将磁性材料与其他材料复合后进行磁组装，通过调节磁场强度和方向来控制其光学性质，还可构筑更多的特殊结构材料，制备具有独特性质的光子晶体。
[0004]目前已有利用嵌入基板的长方体纳米软磁体阵列控制磁性粒子自组装的技术，但仍然需要针对不同几何结构纳米软磁体磁场进行理论分析，对比控制效果以优化组成阵列的软磁体构形，而且已有的长方体磁体磁场算法难以应用于更多的特殊结构磁体。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术实施例的目的在于提供一种采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法，能够适用于更加复杂多变的磁体的磁场应用，为更多样的磁体结构及其磁场分布的研究提供了方法。
[0006]本专利技术的实施例是这样实现的：
[0007]一种采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法，其包括：
[0008]确定待构型纳米磁体的几何形状和材料参数。
[0009]根据所述待构型纳米磁体的几何形状确定边界参数，建立纳米磁体三维模型。
[0010]根据所述待构型纳米磁体的边界参数和材料参数，进行解析计算，得到包括所述
待构型纳米磁体内部的磁场分布及磁场梯度的三维模型。
[0011]在所述三维模型中，根据所述待构型纳米磁体内部的磁场分布及磁场梯度、纳米粒子在磁场中的受力情况对所述待构型纳米磁体的磁场分布进行分析，修正所述待构型纳米磁体的结构。
[0012]在本专利技术较佳的实施例中，上述采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法中，所述待构型纳米磁体的材料参数包括纳米磁体材料的磁各向异性、饱和磁化强度、磁矩方向和磁导率。
[0013]所述纳米粒子在磁场中的受力情况包括粒子半径、磁化系数、饱和磁化强度。
[0014]在本专利技术较佳的实施例中，上述采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法中，所述在所述三维模型中，根据所述待构型纳米磁体内部的磁场分布及磁场梯度、纳米粒子在磁场中的受力情况对所述待构型纳米磁体的磁场分布进行分析，修正所述待构型纳米磁体的结构，包括：
[0015]在所述三维模型中，计算磁感应强度其中，B表示磁感应强度，J表示磁化区域内包含的电流密度，x表示场点的位置矢量，x'表示源点的位置矢量；
[0016]计算磁感应强度的梯度，并由梯度得到作用在粒子上的磁力F＝∫
V
(M
·
▽
)B
ext
dv，其中，M为磁体的磁化强度；
[0017]根据计算得到的磁感应强度及粒子所受磁力，评估以该磁体作为基底时，纳米粒子组装的准确性及效率，根据评估结果确定对纳米磁体结构的优化设计方向。
[0018]上述采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法中，所述交叉长方体磁体空间磁场的磁场强度及粒子受力情况的计算方法包括：对于两个交叉的长方体磁体，在XOY平面坐标系中，将重叠部分切分为厚度相同且无限趋近于0的薄片，每个薄片均近似为长方体。
[0019]求解每个薄片的8个顶点坐标以及每个薄片的中心坐标，获得每个薄片在场点处产生的磁感应强度及梯度；
[0020]对所有的薄片进行迭代运算并求和，获得所述重叠部分磁体在场点处产生的磁感应强度及梯度。
[0021]在本专利技术较佳的实施例中，上述采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法中，所述交叉长方体磁体空间磁场的磁场强度的计算方法还包括：
[0022]对于所述与XOY坐标轴倾斜的磁体，在倾斜磁体的中心设置新X
’
OY
’
坐标系，所述新X
’
OY
’
坐标系的原点与原XOY坐标系重合，所述新X
’
OY
’
坐标系的坐标轴固定垂直于所述倾斜磁体的表面；
[0023]在所述新X
’
OY
’
坐标系中完成对倾斜磁体磁场的全部计算，将计算结果经正交分解转换至原XOY坐标系内，得到所述倾斜磁体的空间磁场强度的数值。
[0024]在本专利技术较佳的实施例中，上述采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法中，求解每个薄片的8个顶点坐标以及每个薄片的中心坐标，获得每个薄片在场点处产生的磁感应强度，包括：
[0025]每个近似为长方体的薄片的8个顶点坐标中，底面的四个顶点的坐标分别为p
11
(x1,y1,z1)，p
12
(x1,y2,z1)，p
13
(x2,y1,z1)，p
14
(x2,y2,z1)，顶面的四个顶点的坐标分别为p
21
(x1,y1,z2)，p
22
(x1,y2,z2)，p
23
(x2,y1,z2)，p
24
(x2,y2,z2)；
[0026]利用等效磁荷法，计算该长方体薄片作为磁体沿z方向磁化时，各个方向在场点处的磁感应强度的分量，
[0027][0028][0029][0030]其中，x、y、z为场点相对磁体中心的位置，x1、x2、y1、y2、z1、z2用于表示长方体磁体的八个顶点坐标，B
x
、B
y
、B
z
分别为各个方向上场点处磁感应强度的分量，S为磁化边界面，M
s
为磁体的磁化强度，μ0为真空导磁率。
[0031]在本专利技术较佳的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法，其特征在于，包括：确定待构型纳米磁体的几何形状和材料参数；根据所述待构型纳米磁体的几何形状确定边界参数，建立纳米磁体三维模型；根据所述待构型纳米磁体的边界参数和材料参数进行解析计算，得到包括所述待构型纳米磁体内部的磁场分布及磁场梯度的三维模型；在所述三维模型中，根据所述待构型纳米磁体内部的磁场分布及磁场梯度、纳米粒子在磁场中的受力情况对所述待构型纳米磁体的磁场分布进行分析，修正所述待构型纳米磁体的结构。2.根据权利要求1所述的采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法，其特征在于，所述待构型纳米磁体的材料参数包括纳米磁体材料的磁各向异性、饱和磁化强度、磁矩方向和磁导率；所述纳米粒子在磁场中的受力情况包括粒子半径、磁化系数、饱和磁化强度。3.根据权利要求2所述的采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法，其特征在于，所述在所述三维模型中，根据所述待构型纳米磁体内部的磁场分布及磁场梯度、纳米粒子在磁场中的受力情况对所述待构型纳米磁体的磁场分布进行分析，修正所述待构型纳米磁体的结构，包括：在所述三维模型中，计算磁感应强度其中，B表示磁感应强度，J表示磁化区域内包含的电流密度，x表示场点的位置矢量，x'表示源点的位置矢量；计算磁感应强度的梯度，并由梯度得到作用在粒子上的磁力其中，M为磁体的磁化强度；根据计算得到的磁感应强度及粒子所受磁力，评估以该磁体作为基底时，纳米粒子组装的准确性及效率，根据评估结果确定对纳米磁体结构的优化设计方向。4.根据权利要求3所述的采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法，其特征在于，所述交叉长方体磁体空间磁场的磁场强度的计算方法包括：对于两个交叉的长方体磁体，建立XOY坐标系的平面，将重叠部分切分为厚度相同且无限趋近于0的薄片，每个薄片均近似为长方体；求解每个薄片的8个顶点坐标以及每个薄片的中心坐标，获得每个薄片在场点处产生的磁感应强度及梯度；对所有的薄片进行迭代运算并求和，获得所述重叠部分磁体在场点处产生的磁感应强度及梯度。5.根据权利要求4所述的采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法，其特征在于，所述交叉长方体磁体空间磁场的磁场强度的计算方法还包括：对于所述与XOY坐标轴倾斜的磁体，在倾斜磁体的中心设置新X
’
OY
’
坐标系，所述新X
’
OY
’
坐标系的原点与原XOY坐标系重合，所述新X
’
OY
’
坐标系的坐标轴固定垂直于所述倾斜磁体的表面；在所述新X
’
OY
’
坐标系中完成对倾斜磁体磁场的全部计算，将计算结果经正交分解转
换至原XOY坐标系内，得到所述倾斜磁体的空间磁场强度的数值。6.根据权利要求4所述的采用交叉长方体磁体空间磁场对纳米磁体构型的方法，其特征在于，求解每个薄片的8个顶点坐标以及每个薄片的中心坐标，获得每个薄片在场点处...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙佳佳，赵若彤，史宗谦，李若菡，陈双，马语欣，刘小凤，钟明杰，孟庆之，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：