（Phys.org）-Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員吉姆·馬丁和Kyle Solis都有馬丁所說(shuō)的“一個(gè)問(wèn)題的魔鬼”。

他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如何利用磁場(chǎng)在顆粒懸浮液中產(chǎn)生有力的，有組織的流體流動(dòng)。當(dāng)熱傳遞困難時(shí)，磁刺激流提供了替代方案，因?yàn)樗鼈兛朔俗匀粚?duì)流極限。Martin和Solis甚至展示了一個(gè)可以潛在地控制計(jì)算機(jī)處理器溫度的熱轉(zhuǎn)換閥。

但他們不知道如何和為什么流動(dòng)模式發(fā)生，雖然顯然它是一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)行為，源于基本現(xiàn)象。

“只是因?yàn)樾Ч苋菀桩a(chǎn)生并不意味著它會(huì)很容易理解，”馬丁說(shuō)。

這也是一個(gè)難以模擬的問(wèn)題，因?yàn)榕c微小的顆粒尺寸相比，流動(dòng)模式的巨大規(guī)模，他說(shuō)。他和Solis，一個(gè)學(xué)生實(shí)習(xí)生計(jì)劃博士研究員，已經(jīng)在磁性血小板懸浮液中生成流動(dòng)模式約三年。他們于2010年在美國(guó)物理學(xué)應(yīng)用物理學(xué)通訊（ American Physics’sApplied Physics Letters）上發(fā)表了一篇論文，并于2012年在皇家化學(xué)學(xué)會(huì)的“ 軟物質(zhì) ”雜志上發(fā)表了另一篇論文，概述了他們?nèi)绾蝿?chuàng)建流動(dòng)模式。Martin 在11月的國(guó)際期刊“ 物理進(jìn)展報(bào)告”上主持了一個(gè)專題評(píng)論，稱為“驅(qū)動(dòng)膠體懸浮液中的自組裝和緊急動(dòng)力學(xué)的時(shí)間依賴磁場(chǎng)” 。

這對(duì)由能源科學(xué)辦公室資助的研究正在集中于擴(kuò)展對(duì)液體中新熱傳輸?shù)幕纠斫猓u(píng)估各種流動(dòng)的有效性，并探索當(dāng)研究人員修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)時(shí)發(fā)生的情況。Martin和Solis發(fā)現(xiàn)這些圖案僅用于形狀類(lèi)似板的磁性顆粒，基本上是磁性的五彩紙屑。球形和棒狀顆粒不產(chǎn)生效果。

使流體流如對(duì)流

目標(biāo)是使流體自身流動(dòng)，如在熱對(duì)流中。對(duì)流是熟悉的每個(gè)人誰(shuí)煮沸水或奇跡鳥(niǎo)類(lèi)或滑翔機(jī)乘坐上升的列的溫暖空氣被稱為熱量。然而，它不在沒(méi)有重力的外部空間中或在位于熱物體下方而不是在熱物體上方的液體中工作?，F(xiàn)代世界通過(guò)使用具有與流體接觸的相關(guān)聯(lián)的密封件和閥的泵和風(fēng)扇來(lái)強(qiáng)制對(duì)流，但是這些運(yùn)動(dòng)部件遲早會(huì)腐蝕和分解。

Martin和Solis通過(guò)向液體中加入少量磁性片晶并且施加適度的，均勻的交流（AC）磁場(chǎng)來(lái)使流體移動(dòng)。這種現(xiàn)象稱為等溫磁平流，對(duì)于非接觸傳熱顯示出非常好的結(jié)果，并且可用于冷卻微系統(tǒng)，在微重力中冷卻或在防止對(duì)流的情況下傳熱。

“我們對(duì)這些事情發(fā)生的原因沒(méi)有太多的了解，但我們可以確定效果是什么，以及它的工作原理，”Martin說(shuō)。正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，加上建模，正在推進(jìn)對(duì)現(xiàn)象的理解。

由于均勻磁場(chǎng)可以容易地縮放到任何尺寸，他說(shuō)，該技術(shù)可以在從反應(yīng)堆冷卻到微流體的問(wèn)題中是實(shí)用的，這是一個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域，例如在設(shè)計(jì)處理微小體積流體的系統(tǒng)中使用，例如血液樣品。

研究人員發(fā)現(xiàn)了他們稱為對(duì)流晶格的各種流動(dòng)模式?！澳Ｊ绞欠浅ｏ@著的，因?yàn)椴蝗菀桌斫鉃槭裁戳黧w應(yīng)該流動(dòng)在第一位，因?yàn)橐粋€(gè)均勻的磁場(chǎng)不施加力在粒子，只是一個(gè)扭矩，”馬丁說(shuō)。

他將流格與流行的鳥(niǎo)類(lèi)的模式或雜音進(jìn)行了比較，“每只鳥(niǎo)都遵守一些簡(jiǎn)單的規(guī)則，例如避免撞到鄰近的鳥(niǎo)類(lèi)，沒(méi)有領(lǐng)導(dǎo)者，這些模式只是自發(fā)地從這些簡(jiǎn)單的規(guī)則中產(chǎn)生每個(gè)粒子都服從簡(jiǎn)單的規(guī)則，但是總的來(lái)說(shuō)這里出現(xiàn)的行為是相當(dāng)令人驚訝的。

特制磁鐵產(chǎn)生均勻場(chǎng)

對(duì)于流體流不需要使用非常強(qiáng)的磁場(chǎng)。研究人員生成具有特殊構(gòu)造的磁體的均勻的多軸AC磁場(chǎng)，該磁體由布置成產(chǎn)生三個(gè)相互垂直的磁場(chǎng)的三個(gè)嵌套線圈對(duì)組成。想象一個(gè)矩形盒子，其中線圈膠合到六邊中的每一邊。相對(duì)側(cè)上的線圈被連接在一起并產(chǎn)生沿著其圓柱軸線指向的場(chǎng)。這種布置使得研究人員能夠同時(shí)沿著南北，東西和上下方向產(chǎn)生具有獨(dú)立頻率的磁場(chǎng)。

凈效應(yīng)是其方向和幅度隨時(shí)間急劇和快速變化的磁場(chǎng)。

通常，磁場(chǎng)在大小和方向上是恒定的，類(lèi)似于地球的磁場(chǎng)。另一方面，Martin和Solis使用范圍從約50-1,000赫茲（Hz），或每秒50至1,000個(gè)周期的交變磁場(chǎng)。只需要兩個(gè)場(chǎng)分量來(lái)產(chǎn)生流場(chǎng)，但三個(gè)可以產(chǎn)生特別劇烈的流動(dòng)。

他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中展示了模式，首先是含有少量磁性血小板的流體懸浮液，然后是更密集的懸浮液。血小板開(kāi)始是無(wú)序的沉積物，但當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)時(shí)，圖形立即出現(xiàn)，它們的結(jié)構(gòu)取決于所使用的磁場(chǎng)。馬丁和索利斯描述了各種模式，它們的特征只有毫米，看起來(lái)像彼此滑動(dòng)的蠕蟲(chóng)，向上游游，p，漁網(wǎng)，沙漣漪，脊或河流格子。一個(gè)模式扭動(dòng)，好像小蟲(chóng)子在下面移動(dòng)。

馬丁指出，并非格子中的所有“河流”都以相同的方向流動(dòng)：切穿流體將顯示出流動(dòng)列的棋盤(pán)圖案，一些流向單向，相鄰列流向相反方向。

“這是一個(gè)神秘的現(xiàn)象，”他說(shuō)，他用一個(gè)微小的光照亮位于磁鐵中間的3厘米（cm）或1.2英寸方形玻璃容器的流體。

圖案隨磁場(chǎng)變化而變化

演示開(kāi)始于一個(gè)線圈對(duì)以150Hz運(yùn)行，第二個(gè)設(shè)置在75Hz。Solis通過(guò)計(jì)算機(jī)改變頻率，并且在一個(gè)點(diǎn)引入一個(gè)場(chǎng)分量中的輕微頻率變化以連續(xù)調(diào)制流動(dòng)模式。

“樣本將經(jīng)歷所有這些轉(zhuǎn)變，”馬丁說(shuō)?！霸谌魏我粋€(gè)時(shí)刻，它都試圖成為領(lǐng)域指導(dǎo)它成為，但現(xiàn)在領(lǐng)域不斷變化，導(dǎo)致模式演變。換句話說(shuō)，有很多模式是可能的，我們可以選擇這些仔細(xì)調(diào)整場(chǎng)分量之間的相位角。

一種模式是微型龍卷風(fēng)在與它們的鄰居相反的方向旋轉(zhuǎn)的渦旋晶格。馬丁這樣解釋：假設(shè)你有一個(gè)棋盤(pán)，在每個(gè)廣場(chǎng)中間的一個(gè)軸上安裝一個(gè)齒輪。如果你在嚙合齒輪的格子中順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒輪，它的四個(gè)鄰居逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，它們的每個(gè)鄰居轉(zhuǎn)向相反的方向，等等。

“這是同樣的事情，但它都是一個(gè)流動(dòng)，”他說(shuō)。

Solis通過(guò)用更多溶劑（在這種情況下為異丙醇）或通過(guò)除去大部分溶劑稀釋流體來(lái)改變實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。他還撥動(dòng)磁力上下。一些圖案快速移動(dòng)，甚至劇烈移動(dòng)，并且解決方案可能突然爬上兩邊并溢出。在一個(gè)點(diǎn)上，Solis關(guān)閉了油田，流體顯示出以前的模式的殘影。當(dāng)字段重新啟動(dòng)時(shí)，流程立即恢復(fù)。

研究人員展示熱閥

Martin和Solis使用這種現(xiàn)象來(lái)創(chuàng)建它們可以控制以傳遞或阻擋熱量的熱閥。他們使流動(dòng)池幾英寸長(zhǎng)，在外墻上的塊，水流過(guò)，以保持塊冷。水塊在由嵌入有金屬絲的塑料制成的剃刀刀片尺寸加熱器分隔的室的側(cè)面。為了測(cè)試熱傳導(dǎo)性能，研究人員運(yùn)行通過(guò)加熱器的電流并測(cè)量其熱量。由于溫度取決于該腔室的磁結(jié)構(gòu)的流體的熱傳導(dǎo)性能，它們控制通過(guò)控制由血小板中產(chǎn)生的流動(dòng)的溫度的磁場(chǎng)。

一些領(lǐng)域有效地固化流體并使加熱器變得非常熱，而其他領(lǐng)域產(chǎn)生強(qiáng)的流動(dòng)，因此有效地提取熱量，使得加熱器的溫度僅升高比水塊溫度高0.3攝氏度（約0.5華氏度），Martin說(shuō)過(guò)。

因此，它的作用就像一個(gè)閥門(mén)，因?yàn)樗梢钥刂茻崃康?厘米的差距百倍，他說(shuō)?！跋胂胍粋€(gè)水閥可以控制水流量的100倍 – 也許有點(diǎn)漏，但仍然比沒(méi)有閥門(mén)更好。他還說(shuō)，還有改進(jìn)的余地。

“熱傳遞可以控制在任何大小的體積，并且熱傳遞的相對(duì)效率實(shí)際上隨著規(guī)模增加，”馬丁說(shuō)?！昂苋菀自诖篌w積上產(chǎn)生熱傳遞，因?yàn)楫a(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈在任何尺寸上都同樣有效。

等溫磁平流可以幫助有效地管理計(jì)算機(jī)中的過(guò)熱。Martin說(shuō)，現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)中的芯片越來(lái)越熱，使用更多的功率，并從中消除熱量是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，限制了開(kāi)發(fā)。它不只是大系統(tǒng)。Solis說(shuō)：“現(xiàn)在對(duì)個(gè)人電子產(chǎn)品（如筆記本電腦）進(jìn)行散熱的限制之一是，在噪聲變得太討厭之前，人們可以在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行這些風(fēng)扇。