Ferrovloeistoffen, met hun hypnotiserende weergave van van vorm veranderende spikes, zijn een favoriete tentoonstelling in wetenschappelijke shows. Deze opvallende voorbeelden van magnetische velden in actie kunnen nog dramatischer worden door computationeel werk dat hun beweging vastlegt.

Een onderzoeksteam van KAUST heeft nu een computermodel van ferrofluïde beweging ontwikkeld dat kan worden gebruikt om nog grotere ferrofluid-displays te ontwerpen. Het werk is een opstap naar het gebruik van simulatie om het gebruik van ferrovloeistoffen in een breed scala aan praktische toepassingen te informeren, zoals medicijnen, akoestiek, radarabsorberende materialen en nano-elektronica.

Ferrofluids werden in de jaren zestig door NASA ontwikkeld als een manier om brandstoffen met een lage zwaartekracht te pompen. Ze bestaan ​​uit magnetische deeltjes op nanoschaal van met ijzer beladen verbindingen die in een vloeistof zijn gesuspendeerd. Bij afwezigheid van een magnetisch veld, ferrovloeistoffen hebben een perfect glad oppervlak. Maar wanneer een magneet dicht bij de ferrovloeistof wordt gebracht, de deeltjes richten zich snel op het magnetische veld, vormen het karakteristieke stekelige uiterlijk. Als een magnetisch object in de ferrovloeistof wordt geplaatst, de spikes zullen zelfs het object beklimmen voordat ze weer naar beneden vallen.

Omdat ferrofluïdumgedrag contra-intuïtief kan zijn, simulatie is de ideale manier om hun complexe beweging te begrijpen. (Bekijk de simulatie hier.) Tot nu toe, echter, de modellen hebben verschillende beperkingen gehad, zegt Libo Huang, een doctoraat student in de Computational Sciences Group van Dominik Michels binnen het Visual Computing Center van KAUST.

De eerste uitdaging was het elimineren van singulariteiten in het magnetische veld van bestaande modellen, zegt Huang. Eerdere modellen maakten doorgaans gebruik van magnetische veldsimulaties met behulp van magneten die oneindig klein zijn. Hoe dichter twee magneten bij elkaar worden gebracht, hoe sterker de magnetische aantrekkingskracht - dus, als een magneet oneindig klein is, de magnetische veldsterkte kan oneindig groot worden. "Het centrum van een oneindig kleine magneet wordt zijn singulariteit genoemd, " zegt Huang. Niet alleen is het magnetische veld moeilijk te meten in het centrum van de magneet, maar als twee singulariteiten dicht bij elkaar komen, de krachten worden zo groot dat de simulatie kan crashen. "We hebben formules afgeleid om de singulariteiten te elimineren en veel robuustere numerieke schema's te maken, ' zegt Huang.

Het team vond ook manieren om de rekenefficiëntie te verhogen door de algoritmische complexiteit te verminderen, waardoor grotere simulaties kunnen worden uitgevoerd. Toen het team hun model vergeleek met natte laboratoriumexperimenten, het reproduceerde het ware dynamische gedrag van de ferrovloeistof, het geven van een goede kwalitatieve weergave die nuttig zal zijn voor het ontwerpen van ferrofluïde sculpturen. "Dit opent de deur voor verdere kwantitatieve analyse, ", zegt Huang. Het verder vergroten van de nauwkeurigheid van het model zou nieuwe inzichten opleveren in fundamenteel ferrofluïdumgedrag en tot veel nieuwe toepassingen leiden, van elektronische sensoren en schakelaars tot vervormbare spiegels voor geavanceerde telescopen.