Ferrofluids, med sin fascinerande uppvisning av formförskjutande spikar, är en favoritutställning i vetenskapsshower. Dessa iögonfallande exempel på magnetfält i aktion kan bli ännu mer dramatiska genom beräkningsarbete som fångar deras rörelse.

En forskargrupp från KAUST har nu utvecklat en datormodell för ferrofluidrörelse som kan användas för att designa ännu större ferrofluiddisplayer. Arbetet är ett språngbräde för att använda simulering för att informera om användningen av ferrofluider i ett brett spektrum av praktiska tillämpningar, såsom medicin, akustik, radarabsorberande material och nanoelektronik.

Ferrofluider utvecklades av NASA på 1960-talet som ett sätt att pumpa bränsle med låg gravitation. De består av magnetiska partiklar i nanoskala av järnhaltiga föreningar suspenderade i en vätska. I frånvaro av ett magnetfält, ferrofluider har en perfekt slät yta. Men när en magnet förs nära ferrofluiden, partiklarna kommer snabbt i linje med magnetfältet, bildar det karakteristiska taggiga utseendet. Om ett magnetiskt föremål placeras i ferrofluiden, spikarna kommer till och med att klättra på föremålet innan de faller ner igen.

Eftersom ferrofluidbeteende kan vara kontraintuitivt, simulering är det perfekta sättet att förstå deras komplexa rörelse. (Se simuleringen här.) Fram tills nu, dock, modellerna har haft flera begränsningar, säger Libo Huang, en Ph.D. student i Dominik Michels Computational Sciences Group inom KAUSTs Visual Computing Center.

Den första utmaningen var att eliminera singulariteter i magnetfältet i befintliga modeller, säger Huang. Tidigare modeller hanterade vanligtvis magnetfältsimulering med magneter som är oändligt små. Ju närmare två magneter förs samman, ju starkare magnetisk attraktion – alltså, om en magnet är oändligt liten, magnetfältets styrka kan bli oändligt stor. "Mittpunkten för en oändligt liten magnet kallas dess singularitet, " säger Huang. Det är inte bara svårt att mäta magnetfältet i magnetens centrum, men om två singulariteter kommer nära varandra, krafterna blir så stora att simuleringen kan krascha. "Vi härledde formler för att eliminera singulariteterna och skapa mycket mer robusta numeriska scheman, " säger Huang.

Teamet hittade också sätt att öka beräkningseffektiviteten genom att minska den algoritmiska komplexiteten, gör att större simuleringar kan köras. När teamet jämförde sin modell med våta labbexperiment, det återgav ferrofluidens sanna dynamiska beteende, ger en bra kvalitativ representation som kommer att vara användbar för ferrofluid skulpturdesign. "Detta öppnar dörren för ytterligare kvantitativ analys, " säger Huang. Att öka modellens noggrannhet ytterligare skulle ge nya insikter om grundläggande ferrofluidbeteende och leda till många nya användningsområden, från elektroniska sensorer och strömbrytare till deformerbara speglar för avancerade teleskop.