Ferrofluidi, con la loro ipnotizzante esposizione di spuntoni mutaforma, sono una delle mostre preferite negli spettacoli scientifici. Questi accattivanti esempi di campi magnetici in azione potrebbero diventare ancora più drammatici attraverso il lavoro computazionale che ne cattura il movimento.

Un team di ricerca della KAUST ha ora sviluppato un modello computerizzato del movimento del ferrofluido che potrebbe essere utilizzato per progettare schermi di ferrofluido ancora più grandiosi. Il lavoro è un trampolino di lancio per utilizzare la simulazione per informare l'uso di ferrofluidi in un'ampia gamma di applicazioni pratiche, come la medicina, acustica, materiali radar-assorbenti e nanoelettronica.

I ferrofluidi sono stati sviluppati dalla NASA negli anni '60 come un modo per pompare combustibili in condizioni di bassa gravità. Comprendono particelle magnetiche su nanoscala di composti carichi di ferro sospesi in un liquido. In assenza di campo magnetico, i ferrofluidi possiedono una superficie perfettamente liscia. Ma quando un magnete viene avvicinato al ferrofluido, le particelle si allineano rapidamente con il campo magnetico, formando il caratteristico aspetto appuntito. Se un oggetto magnetico viene posto nel ferrofluido, gli spuntoni saliranno persino sull'oggetto prima di riscendere a cascata.

Poiché il comportamento del ferrofluido può essere controintuitivo, la simulazione è il modo ideale per comprendere il loro movimento complesso. (Guarda la simulazione qui.) Fino ad ora, però, i modelli hanno avuto diversi limiti, dice Libo Huang, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di scienze computazionali di Dominik Michels all'interno del Visual Computing Center di KAUST.

La prima sfida era eliminare le singolarità nel campo magnetico dei modelli esistenti, dice Huang. I modelli precedenti in genere gestivano la simulazione del campo magnetico utilizzando magneti infinitamente piccoli. I due magneti più vicini vengono avvicinati, più forte è l'attrazione magnetica, quindi, se un magnete è infinitamente piccolo, l'intensità del campo magnetico può diventare infinitamente grande. "Il centro di un magnete infinitamente piccolo si chiama la sua singolarità, " dice Huang. Non solo è difficile misurare il campo magnetico al centro del magnete, ma se due singolarità si avvicinano, le forze diventano così grandi che la simulazione può andare in crash. "Abbiamo derivato formule per eliminare le singolarità e creare schemi numerici molto più robusti, " dice Huang.

Il team ha anche trovato modi per aumentare l'efficienza computazionale riducendo la complessità algoritmica, consentendo di eseguire simulazioni più grandi. Quando il team ha confrontato il loro modello con esperimenti di laboratorio umido, riproduceva il vero comportamento dinamico del ferrofluido, dando una buona rappresentazione qualitativa che sarà utile per la progettazione di sculture in ferrofluido. "Questo apre la porta per ulteriori analisi quantitative, " dice Huang. Aumentare ulteriormente la precisione del modello fornirebbe nuove informazioni sul comportamento fondamentale del ferrofluido e porterebbe a molti nuovi usi, dai sensori e interruttori elettronici agli specchi deformabili per telescopi avanzati.