（Phys.org）-Sandia國家實驗室的研究人員吉姆·馬丁和Kyle Solis都有馬丁所說的“一個問題的魔鬼”。

他們已經發現如何利用磁場在顆粒懸浮液中產生有力的，有組織的流體流動。當熱傳遞困難時，磁刺激流提供了替代方案，因為它們克服了自然對流極限。Martin和Solis甚至展示了一個可以潛在地控制計算機處理器溫度的熱轉換閥。

但他們不知道如何和為什么流動模式發生，雖然顯然它是一個復雜的科學行為，源于基本現象。

“只是因為效果很容易產生并不意味著它會很容易理解，”馬丁說。

這也是一個難以模擬的問題，因為與微小的顆粒尺寸相比，流動模式的巨大規模，他說。他和Solis，一個學生實習生計劃博士研究員，已經在磁性血小板懸浮液中生成流動模式約三年。他們于2010年在美國物理學應用物理學通訊（ American Physics’sApplied Physics Letters）上發表了一篇論文，并于2012年在皇家化學學會的“ 軟物質 ”雜志上發表了另一篇論文，概述了他們如何創建流動模式。Martin 在11月的國際期刊“ 物理進展報告”上主持了一個專題評論，稱為“驅動膠體懸浮液中的自組裝和緊急動力學的時間依賴磁場” 。

這對由能源科學辦公室資助的研究正在集中于擴展對液體中新熱傳輸的基本理解，評估各種流動的有效性，并探索當研究人員修改實驗參數時發生的情況。Martin和Solis發現這些圖案僅用于形狀類似板的磁性顆粒，基本上是磁性的五彩紙屑。球形和棒狀顆粒不產生效果。

使流體流如對流

目標是使流體自身流動，如在熱對流中。對流是熟悉的每個人誰煮沸水或奇跡鳥類或滑翔機乘坐上升的列的溫暖空氣被稱為熱量。然而，它不在沒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代世界通過使用具有與流體接觸的相關聯的密封件和閥的泵和風扇來強制對流，但是這些運動部件遲早會腐蝕和分解。

Martin和Solis通過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）磁場來使流體移動。這種現象稱為等溫磁平流，對于非接觸傳熱顯示出非常好的結果，并且可用于冷卻微系統，在微重力中冷卻或在防止對流的情況下傳熱。

“我們對這些事情發生的原因沒有太多的了解，但我們可以確定效果是什么，以及它的工作原理，”Martin說。正在進行的實驗，加上建模，正在推進對現象的理解。

由于均勻磁場可以容易地縮放到任何尺寸，他說，該技術可以在從反應堆冷卻到微流體的問題中是實用的，這是一個多學科領域，例如在設計處理微小體積流體的系統中使用，例如血液樣品。

研究人員發現了他們稱為對流晶格的各種流動模式?！澳Ｊ绞欠浅ｏ@著的，因為不容易理解為什么流體應該流動在第一位，因為一個均勻的磁場不施加力在粒子，只是一個扭矩，”馬丁說。

他將流格與流行的鳥類的模式或雜音進行了比較，“每只鳥都遵守一些簡單的規則，例如避免撞到鄰近的鳥類，沒有領導者，這些模式只是自發地從這些簡單的規則中產生每個粒子都服從簡單的規則，但是總的來說這里出現的行為是相當令人驚訝的。

特制磁鐵產生均勻場

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

凈效應是其方向和幅度隨時間急劇和快速變化的磁場。

通常，磁場在大小和方向上是恒定的，類似于地球的磁場。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個周期的交變磁場。只需要兩個場分量來產生流場，但三個可以產生特別劇烈的流動。

他們在實驗室中展示了模式，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。血小板開始是無序的沉積物，但當應用場時，圖形立即出現，它們的結構取決于所使用的磁場。馬丁和索利斯描述了各種模式，它們的特征只有毫米，看起來像彼此滑動的蠕蟲，向上游游，p，漁網，沙漣漪，脊或河流格子。一個模式扭動，好像小蟲子在下面移動。

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

“這是一個神秘的現象，”他說，他用一個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。

圖案隨磁場變化而變化

演示開始于一個線圈對以150Hz運行，第二個設置在75Hz。Solis通過計算機改變頻率，并且在一個點引入一個場分量中的輕微頻率變化以連續調制流動模式。

“樣本將經歷所有這些轉變，”馬丁說?！霸谌魏我粋€時刻，它都試圖成為領域指導它成為，但現在領域不斷變化，導致模式演變。換句話說，有很多模式是可能的，我們可以選擇這些仔細調整場分量之間的相位角。

一種模式是微型龍卷風在與它們的鄰居相反的方向旋轉的渦旋晶格。馬丁這樣解釋：假設你有一個棋盤，在每個廣場中間的一個軸上安裝一個齒輪。如果你在嚙合齒輪的格子中順時針轉動一個齒輪，它的四個鄰居逆時針轉動，它們的每個鄰居轉向相反的方向，等等。

“這是同樣的事情，但它都是一個流動，”他說。

Solis通過用更多溶劑（在這種情況下為異丙醇）或通過除去大部分溶劑稀釋流體來改變實驗的參數。他還撥動磁力上下。一些圖案快速移動，甚至劇烈移動，并且解決方案可能突然爬上兩邊并溢出。在一個點上，Solis關閉了油田，流體顯示出以前的模式的殘影。當字段重新啟動時，流程立即恢復。

研究人員展示熱閥

Martin和Solis使用這種現象來創建它們可以控制以傳遞或阻擋熱量的熱閥。他們使流動池幾英寸長，在外墻上的塊，水流過，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面。為了測試熱傳導性能，研究人員運行通過加熱器的電流并測量其熱量。由于溫度取決于該腔室的磁結構的流體的熱傳導性能，它們控制通過控制由血小板中產生的流動的溫度的磁場。

一些領域有效地固化流體并使加熱器變得非常熱，而其他領域產生強的流動，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說過。

因此，它的作用就像一個閥門，因為它可以控制熱量的1厘米的差距百倍，他說?！跋胂胍粋€水閥可以控制水流量的100倍 – 也許有點漏，但仍然比沒有閥門更好。他還說，還有改進的余地。

“熱傳遞可以控制在任何大小的體積，并且熱傳遞的相對效率實際上隨著規模增加，”馬丁說。“很容易在大體積上產生熱傳遞，因為產生磁場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算機中的過熱。Martin說，現代超級計算機中的芯片越來越熱，使用更多的功率，并從中消除熱量是一個技術挑戰，限制了開發。它不只是大系統。Solis說：“現在對個人電子產品（如筆記本電腦）進行散熱的限制之一是，在噪聲變得太討厭之前，人們可以在多長時間內運行這些風扇。