Одной из основных разновидностей магнитоэлектрических материалов (мультиферроиков), наиболее востребованной в сенсорике и медико-биологических приложениях, являются композиты, где матрицей служит пьезоэлектрический полимер, а наполнителем – дисперсия микронных или наноразмерных частиц феррита или ферромагнитного сплава. Полимерные мультиферроики преимущественно используются – в виде плёнок или скаффолдов (ажурных волоконных объектов) – для получения так называемого прямого магнитоэлектрического (МЭ) эффекта, то есть создания электрической поляризации (разности потенциалов) в ответ на приложенное магнитное поле. Очевидным преимуществом таких систем при использовании in vivo является «прозрачность» всех органических материалов для магнитного поля, то есть возможность возбуждать в них МЭ эффект дистанционно.
МЭ эффект в указанных системах возникает из комбинации двух классических явлений: магнитострикции и пьезоэлектричества. Под действием магнитного поля частицы ферромагнетика, испытывают стрикционную деформацию и/или вынужденное смещение. Тем самым они создают в окружающей их полимерной матрице механические напряжения, которые, благодаря пьезоэлектрической природе полимера, индуцируют в последнем электрическую поляризацию.
Мелкодисперсный феррит кобальта является наиболее популярным и, возможно, самым интересным материалом для полимерных мультиферроиков. С одной стороны, у него рекордное значение константы магнитострикции. С другой – это высокоанизотропный феррит и, значит, приложенное поле способно создавать заметный момент сил, стремящийся повернуть частицу внутри матрицы. Обе эти причины приводят к возникновению в композите мелкомасштабных механических напряжений, тем самым внося отдельные собственные вклады в МЭ эффект. Моделирование на мезоскопическом уровне позволяет оценить каждый из этих вкладов и определить условия, при которых они либо складываются (синеэгия), либо ослабляют друг друга. Важно, что и магнитостатические, и упругие межчастичные силы являются дальнодействующими. Это значит, что для корректного расчёта МЭ эффекта в композите следует рассматривать многочастичные ансамбли. Компьютерное моделирование позволяет это сделать: мы используем метод конечных элементов для представительной ячейки и RVE схему для связывания ячеек. Представлены результаты по зависимости МЭ эффекта от формы частиц (квазисферические частицы феррита кобальта, пластинчатые частицы феррита бария), ориентации магнитного поля и направления полинга модельных плёнок и филаментов из пьезополимерного композита [1,2].
Работа выполнена в рамках госзадания, регистрационный номер темы 126020916888-9.
[1] Stolbov O.V., Raikher Yu.L. Magnetoelectric effect in piezopolymer composites with a weakly-magnetostrictive filler: the contribution of torsional stresses //Advanced Theory and Simulations. – 2025. – V. 8. – Art. no. 2401318.
[2] Stolbov O.V., Raikher Yu.L. Modeling of the field-induced electrization of a magnetoelectric PVDF@cobalt ferrite filament //Soft Matter. – 2026. – V. 22. – P. 497–507.