鐵磁流體以其迷人的形狀變化尖峰顯示，是科學(xué)展覽中最受歡迎的展品之一。這些引人注目的磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)實(shí)例，通過(guò)計(jì)算工作捕捉它們的運(yùn)動(dòng)，可能會(huì)變得更加引人注目。

阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）的一個(gè)研究小組現(xiàn)在開(kāi)發(fā)了一個(gè)鐵磁流體運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī)模型，可以用來(lái)設(shè)計(jì)更大尺寸的鐵磁流體顯示器。這項(xiàng)研究是一個(gè)踏腳石，利用模擬來(lái)通知鐵磁流體在廣泛的實(shí)際應(yīng)用，如醫(yī)學(xué)，聲學(xué)，雷達(dá)吸收材料和納米電子。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)開(kāi)發(fā)了鐵質(zhì)流體，作為在低重力條件下泵送燃料的一種方式。這是由懸浮在液體中含鐵化合物的納米磁性顆粒組成。在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下，鐵水具有完美光滑的表面。但當(dāng)磁鐵靠近鐵磁流體時(shí)，粒子會(huì)迅速與磁場(chǎng)對(duì)齊，形成特有的尖狀外觀。如果一個(gè)磁性物體被放置在鐵磁流體中，這些尖刺甚至?xí)诘沽髦芭郎衔矬w。由于鐵磁流體的行為可能與直覺(jué)相反，模擬是理解其復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的理想方法。

KAUST視覺(jué)計(jì)算中心Dominik Michels計(jì)算科學(xué)小組的博士生黃立波(Libo Huang)說(shuō)：然而，到目前為止，這些模型還存在一些局限性。第一個(gè)挑戰(zhàn)是消除現(xiàn)有模型的磁場(chǎng)奇點(diǎn)，以前的模型通常使用無(wú)限小的磁鐵來(lái)處理磁場(chǎng)模擬。兩塊磁鐵靠得越近，磁力就越強(qiáng)——因此，如果一塊磁鐵無(wú)限小，磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)變得無(wú)限大。無(wú)限小磁鐵的中心被稱(chēng)為奇點(diǎn)，不僅磁鐵中心的磁場(chǎng)難以測(cè)量，而且如果兩個(gè)奇點(diǎn)靠得很近，力就會(huì)變得很大，以至于模擬可能會(huì)崩潰。

研究推導(dǎo)出了一些公式來(lái)消除奇點(diǎn)，并創(chuàng)建了更穩(wěn)定的數(shù)字方案。該研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了通過(guò)降低算法復(fù)雜度來(lái)提高計(jì)算效率的方法，從而可以運(yùn)行更大的模擬。當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)將模型與濕式實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較時(shí)，再現(xiàn)了鐵磁流體的真實(shí)動(dòng)態(tài)行為，提供了一個(gè)很好的定性表征，這將有助于鐵磁流體雕塑設(shè)計(jì)。這為進(jìn)一步的定量分析打開(kāi)了大門(mén)，進(jìn)一步提高模型的精度將為鐵流體基本行為提供新見(jiàn)解，并帶來(lái)許多新用途，從電子傳感器和開(kāi)關(guān)到先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡的可變形鏡子。

博科園｜研究/來(lái)自：阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)

參考期刊《美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)圖形學(xué)匯刊》

DOI: 10.1038/s41467-019-11015-0

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