Enhancing magnetorheology with unsteady triaxial magnetic fields

Abstract

Magnetorheological (MR) fluids have long been used for industrial applications that require a quick, reversible change in fluid properties such as a spontaneous increase in viscosity in the presence of an external magnetic field. Micron-sized magnetizable particles dispersed in a nonmagnetic fluid carrier structure via their dipolar interactions in line with the field direction — traditionally a uniaxial DC field. For sufficiently large field strengths, particle structuration usually consisting in the formation of chains or thicker columnar structures restricts fluid flow causing the emergence of a yield stress in the MR fluid and making it more robust to deformation under shear. Dampers, shock absorbers, and braking systems are a few industrial applications that take advantage of the unique adaptability of these smart materials. With our homemade triaxial magnetic field generator we have carried out a complete study of the MR response of more complex precession-like magnetic fields, the particle mesostructures formed under these fields, and other timedependent field configurations. For time-varying fields the relation between the hydrodynamic and magnetic forces plays a key role in the aggregation dynamics in a magnetic suspension. A nondimensional parameter known as the Mason number relates these two magnitudes. The triaxial device was designed and constructed with the intention of carrying out both videomicroscopy and rheometry experiments. The MR enhancement was quantified through an analysis of the storage modulus. Columns, spirals, and layered structures are some of the 3D particle structures we can form using the triaxial field generator by means of the particles’ dipolar and time-averaged magnetostatic interactions. Two main aggregation mechanisms are proposed to explain the MR enhancement — lateral coalescence between vicinal columnar structures, and through particle compaction. The former of the two mechanisms is further justified with particle-level simulations and a study of the average cluster size of simulated particle structures under low angle precession fields. Inspired by the emergent dynamics seen in our experimental work, we have integrated particle self-assembly for a hydrogel composed of modified polysaccharide and protein. Directional, or guided, cell growth often involves a fabricated 3D solid scaffolding matrix for which cells can attach to. Although this method is effective, we propose a novel path for tissue engineering for our magnetically-responsive system using both uniaxial and unsteady magnetic fields and the complex structures witnessed in the MR experiments. A 3D anisotropic particle network is first structured under a pre-programmed magnetic field configuration in its fluid-like viscous state. The particle structure, and the suspended cells, are encapsulated in position as the carrier fluid polymerizes via the Schiff reaction. Confocal microscopy shows the cells embedded within the particle network, and multi-day analysis of the hydrogels suggests the particle structure stays intact allowing a lasting scaffold for cell growth. We hope this study establishes a groundwork for the possibilities of less invasive injectable alternatives for cell regeneration remedies

Los fluidos magnetoreológicos (MR) se han utilizado durante mucho tiempo para aplicaciones industriales que requieren un cambio rápido y reversible en las propiedades del fluido, como por ejemplo un aumento de la viscosidad en presencia de un campo magnético aplicado. Partículas magnéticas de tamaño micrométrico dispersadas en un líquido no magnético estructuran a través de interacciones dipolares en línea con la dirección del campo, tradicionalmente un campo DC uniaxial. Para intensidades de campo suficientemente grandes, la estructuración de partículas conlleva a la formación de cadenas o estructuras columnares más gruesas que restringen el movimiento provocando la aparición de un esfuerzo umbral y dotando al fluido de un carácter viscoelástico. Los amortiguadores y los sistemas de frenado son algunas de las aplicaciones industriales que aprovechan la adaptabilidad única de estos materiales inteligentes. Usando un generador de campo magnético triaxial construido en nuestro laboratorio, hemos llevado a cabo un estudio detallado de la respuesta reológica bajo campos magnéticos de precesión, la formación de mesoestructuras de partículas bajo estos campos y otras configuraciones de campo no estacionarios. Para campos que varían en el tiempo, el balance entre las fuerzas hidrodinámicas y magnéticas juega un papel clave en la dinámica de agregación en una suspensión magnética. Un parámetro adimensional, conocido como número de Mason (Mn), relaciona estas dos magnitudes. El dispositivo triaxial fue diseñado y construido con la intención de realizar experimentos tanto de videomicroscopía como de reometría. La mejora de las propiedades reológicas se cuantificó a través de un análisis del módulo de almacenamiento. Columnas, espirales y estructuras en capas son algunas de las estructuras de partículas 3D que podemos formar usando el generador de campo triaxial gracias a interacciones magnetostáticas dipolares y otras promediadas en el tiempo a alto Mn. Se proponen dos mecanismos de agregación principales para explicar la mejora reológica: la coalescencia lateral entre las estructuras columnares vecinas y la compactación de los agregados. El primero de los dos mecanismos se demuestra con simulaciones a nivel de partícula y un estudio del tamaño de agregados de partículas simuladas bajo campos de precesión de ángulo pequeño. Inspirándonos en la dinámica emergente observada en nuestro trabajo experimental, hemos integrado el autoensamblaje de partículas en un hidrogel compuesto de polisacáridos y proteínas modificadas. El crecimiento celular direccional o guiado requiere de una matriz sólida 3D a la que se puedan adherir las células. Aunque este método es efectivo, proponemos aquí un camino novedoso para la ingeniería de tejidos mediante el uso de campos magnéticos uniaxiales no estacionarios y estructuras complejas observadas en los experimentos con fluidos MR. Primero se estructura una red 3D anisotrópica de partículas bajo una configuración de campo magnético preprogramada en estado líquido (pregel). La estructura en base a partículas y las células suspendidas se encapsulan a medida que el fluido portador polimeriza a través de una reacción de Schiff. Técnicas de microscopía confocal muestran células incorporadas dentro de la red de partículas, y el análisis de varios días de los hidrogeles sugiere que la estructura de las partículas permanece intacta, lo que permite una matriz duradera para el crecimiento celular. Esperamos que este estudio establezca una base para alternativas inyectables menos invasivas en regeneración tisular.