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Shear-induced assembly and breakage of suspensions of magnetic Janus particles with laterally shifted dipoles via Brownian dynamics simulations
Tafur Ushiñahua, Joysy R.
Tafur Ushiñahua, Joysy R.
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Abstract
We employ Brownian dynamics simulations to investigate the shear-induced assembly and breakup of aggregates in dilute suspensions of magnetic Janus particles with laterally shifted dipoles. By systematically displacing the magnetic dipole from its geometric center, given by the dipolar shift s, and the strength of magnetic interactions relative to flow- and Brownian-induced forces, given by the Péclet number Pe and the dipolar coupling constant λ, respectively, distinct aggregation regimes are revealed. At low dipolar shifts (s ≤ 0.1) and low Pe, shear-enhanced diffusion promotes particle collisions, leading to faster aggregation of particles forming elongated chains and looplike clusters that align with the flow. As Pe increases, these structures fragment into smaller aggregates and eventually disperse into gas-like arrangements. In contrast, particles with medium dipolar shifts (s ≥ 0.2) exhibit significant stability, forming compact
vesicle- and micelle-like assemblies that resist shear-induced breakup even at high Pe, provided λ is sufficiently large. Orientational analysis indicates that particles maintain head-to-tail, head-to-side or parallel alignments under shear, depending on s and Pe. The critical Pe required to induce cluster breakdown increases with both s and λ, underscoring the stabilizing influence of lateral dipole displacement and strong magnetic interactions. Our findings indicate the transition to gas-like structure occurs when hydrodynamic and Brownian torques overcoming the interparticle torque. These findings provide fundamental insights into the non-equilibrium self-assembly of anisotropic colloids, offering a framework for designing advanced materials with tunable structural and dynamic properties in microfluidics, drug delivery, and magnetorheological applications.
En este trabajo empleamos simulaciones de dinámica browniana para estudiar el ensamblaje y ruptura de agregados en suspensiones diluidas de partÃculas Janus magnéticas con dipolos desplazados lateralmente, bajo condiciones de flujo de cizalla. Mediante un análisis sistemático del desplazamiento dipolar (s) y los parámetros de acoplamiento (Pe, λ), identificamos distintos regÃmenes caracterÃsticos. Para desplazamientos pequeños (s ≤ 0.1) y bajos números de P´eclet, el flujo mejora la difusión debido a que promueve las colisiones entre partÃculas, dando como resultado la formación de estructuras parecidas a loops enlongados. Al aumentar Pe, estos agregados se fragmentan progresivamente hasta alcanzar un estado disperso. En contraste, partÃculas con desplazamientos medios (s ≥ 0.2) forman estructuras compactas tipo vesÃcula que muestran significativa estabilidad incluso a altos Pe, siempre que λ sea suficientemente grande. El análisis de orden orientacional revela que las partÃculas adoptan configuraciones cabeza-cola o cabezalado y antiparalelas dependiendo de s y Pe. Demostramos que el valor critico de Pe necesario para romper los agregados aumenta con ambos parámetros (s,λ), destacando el papel estabilizador del desplazamiento dipolar. Los resultados sugieren una transición hacia un estado de dispersión tipo gas ocurre cuando los torques hidrodinámicos y brownianos sobre las partÃculas superan los torques resultantes de las interacciones interarticula. En general, los resultados proporcionan una comprensión fundamental del autoensamblaje en sistemas coloidales anisotrópicos bajo flujo, con implicaciones para el diseño de materiales inteligentes en aplicaciones de microfluÃdica, liberación controlada y sistemas magnetoreológicos
En este trabajo empleamos simulaciones de dinámica browniana para estudiar el ensamblaje y ruptura de agregados en suspensiones diluidas de partÃculas Janus magnéticas con dipolos desplazados lateralmente, bajo condiciones de flujo de cizalla. Mediante un análisis sistemático del desplazamiento dipolar (s) y los parámetros de acoplamiento (Pe, λ), identificamos distintos regÃmenes caracterÃsticos. Para desplazamientos pequeños (s ≤ 0.1) y bajos números de P´eclet, el flujo mejora la difusión debido a que promueve las colisiones entre partÃculas, dando como resultado la formación de estructuras parecidas a loops enlongados. Al aumentar Pe, estos agregados se fragmentan progresivamente hasta alcanzar un estado disperso. En contraste, partÃculas con desplazamientos medios (s ≥ 0.2) forman estructuras compactas tipo vesÃcula que muestran significativa estabilidad incluso a altos Pe, siempre que λ sea suficientemente grande. El análisis de orden orientacional revela que las partÃculas adoptan configuraciones cabeza-cola o cabezalado y antiparalelas dependiendo de s y Pe. Demostramos que el valor critico de Pe necesario para romper los agregados aumenta con ambos parámetros (s,λ), destacando el papel estabilizador del desplazamiento dipolar. Los resultados sugieren una transición hacia un estado de dispersión tipo gas ocurre cuando los torques hidrodinámicos y brownianos sobre las partÃculas superan los torques resultantes de las interacciones interarticula. En general, los resultados proporcionan una comprensión fundamental del autoensamblaje en sistemas coloidales anisotrópicos bajo flujo, con implicaciones para el diseño de materiales inteligentes en aplicaciones de microfluÃdica, liberación controlada y sistemas magnetoreológicos
Description
Date
2025-05-15
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Keywords
Magnetic Janus, Shear flow, Dipolar shift