PostDoc in Structures

POST DOC un EU logo ansamblis glavas logotipam

Structure formation of magnetic particles in time dependent magnetic fields

/Magnētisku daļiņu struktūru veidošanās mainīgos magnētiskajos laukos

General information/Vispārīga informācija

Project title/Projekta nosaukums: Structure formation of magnetic particles in time dependent magnetic fields /Magnētisku daļiņu struktūru veidošanās mainīgos magnētiskajos laukos

Project number/Projekta līguma numurs: 1.1.1.2/VIAA/1/16/060

Project duration/Projekta īstenošanas termiņš: 2017.12.01-2020.11.30

Project funding/Projekta kopējais finansējums:

133 806,00 EUR, all for UL, of which/viss LU, no tā:

ERDF funding/ERAF finansējums: 113 735,10 EUR

State budget funding/Valsts budžeta finansējums: 13 380,60 EUR

UL funding/LU finansējums: 6 690,30 EUR

Project goal/Projekta mērķis: understand collective behavior of magnetic particles in time dependent magnetic field and show how particle and field parameters determine structure formation and improving competence and scientific capacity of postdoc/ saprats magnētisku daļiņu kolektīvo uzvedību mainīgos magnētiskajos laukos un parādīt, kā lauka un daļiņu parametri ietekmē struktūru veidošanos, kā arī uzlabot pēcdoktoranta kompetences un zinātnisko kapacitāti

Project results/Projekta rezultāti:

Project structure/Projekta struktūra:

Progress reports (in Latvian)/Progresa ziņojumi:

"Ēnu diena 2020" LU Zinātņu mājā ar Magnētisku mīkstu materiālu laboratorijas pētniekiem

"Ēnu diena 2019" LU Zinātņu mājā ar Magnētisku mīkstu materiālu laboratorijas pētniekiem

"Zinātnieku nakts 2018" Rīgas centrālajā stacijā

"Zinātnieku nakts 2018" Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultātē

XI ceturksnis (01.06.2020-31.08.2020)

Rakstā, kas tiek rakstīts kopā ar maģistratūras studentu J. Užuli tika atklāti vairāki interesanti režīmi, kurus vasaras laikā papētījām sīkāk. Tā pat cenšamies pabeigt darbu pie raksta, kas nesanāk tik raiti kā gribējos, jo katra jauna simulācija rada jaunus atklājumus par paramagnētisko daļiņu ķēžu garumu atkarību no ārēja lauka parametriem.

Kopā ar SAF tehniku un Rīgas P. Stradiņa klīnisko universitātes slimnīcu tikai aizsākta projekta rakstīšana praktiskās ievirzes pētījumiem par to, kā uzlabot monitoringu slimniekiem pēc sirds operācijām. Šis projekts netika iesniegts dažādu birokrātisku šķēršļu dēļ, kā arī Latvijas Universitāte tika piesaistīta šim projektam tikai neilgi pirms projekta iesniegšanas.

Tika arī strādāts pie programmas, kas varētu veikt aprēķinus ansamblī ar daļiņām ar galīgu magnētisko anizotropiju. Jūlija vidū atteica strādāt darba datora cietais disks, kā rezultātā ir zudusi šī programma. Kā arī ir zuduši vairāki mani mācību materiāli. Par laimi simulāciju rezultāti atrodas arī uz rakstu līdzautoru (J. Užuļa un J. J. Cerda) datoriem. Kā rezultātā, cerams, ka tas neietekmēs rakstu veiksmīgu sagatavošanu. Bet daļa laika tika patērēta, lai pārinstalētu datorsistēmu un tiek tērēta, lai atjaunotu datus, kad tie kļūst nepieciešami.

X ceturksnis (01.03.2020-31.05.2020)

Tā kā šis projekts iet uz beigām, tad šis ceturksnis tika veltīts domām par nākotni: tika uzrakstīti un iesniegti divi jauni projekti. Marta beigās tika iesniegts projekts Fundamentāli Lietišķās Pētījumu Programmas konkursā. Projekts ir par magnētisku daļiņu izmantošanu zāļu transportam bioloģiskā vidē. Man šajā projektā ir paredzēta teorijas izstrāde. Vēl projektā ir iesaistīts MMML pētnieks, kas veiks eksperimentus un Matemātikas nodaļas pētnieks, kas veiks eksperimentālo datu apstrādi izmantojot mašīnmācīšanos. Kā arī ir paredzēts piesaistīt studentus, kas veiks daļu no pētījuma. Konkursa rezultātiem vajadzētu būt zināmiem jūnija beigās.

Otrs projekts ir iesniegts FET-Open projektu konkursā. FET Open ir Eiropas Komisijas rīkots projektu konkurss, kas mērķēts uz ambicioziem starpdisciplināriem projektiem ar mērķi izveidot nebijušas tehnoloģijas ar iespējami lielu ekonomisko pienesumu. Projekta galvenais iesniedzējs ir Balēru salu Universitāte, Spānijā. MMML ir kā partneris šajā projektā. Projekta mērķis ir izveidot kontrolējamas hromatogrāfijas un filtrēšanas ierīces, kur ar ārējas iedarbības palīdzību ir iespējams izvēlēties filtra izmēru. Es šajā projektā esmu iesaistīts, kā magnētisku materiālu modelēšanas speciālists. No MMML vēl ir piesaistīta ķīmijas laboratorijas pārstāve Oksana, kam arī šoziem beidza pēcdoktorantūras projekts.

Vēl šajā ceturksnī aktīvāk notika konsultācija maģistratūras studentam Jānim Užulim, kurš 9.jūnijā aizstāvēja savu maģistra darbu par "Paramagnētisku daļiņu ķēdēm rotējošā laukā". Kā arī nedaudz palielinājās slodze universitātē, saistībā ar COVID-19, jo bija jāsagatavo materiāli studentiem.

Ņemot vērā augstāk minēto iestrēgusi ir publikāciju rakstīšana, kurai pievēršos šobrīd.

IX ceturksnis (01.12.2019.-29.02.2020)

Februāra vidū tika ņemta dalība "Ēnu dienā", kur Latvijas Universitātes Magnētisku Mīkstu Materiālu Laboratorijā viesojās 4 skolēni, kas vēlējās redzēt, kā notiek zinātnieka darbs Magnētisku mīkstu materiālu laboratorijā. Lai parādītu pēc iespējas vairāk pētnieka darba puses, mēs izvēlējāmies gana vienkāršu pētāmo objektu: magnētisku bumbiņu, kas ripo pa slīpo plakni un novirzās no taisnvirziena kustības Zemes magnētiskā lauka dēļ. Ēnu dienas laikā , gan tika veikti eksperimenti, gan modelētas skaitliski šo magnētisko bumbiņu trajektorijas, gan veikts salīdzinājums starp skaitlisko modeli un eksperimentu.

Latvijas Universitātes 78. konferences Magnētiskas mīkstas vides sekcijas sēdē (kopsavilkumi) tika prezentēti šībrīža rezultāti magnētisku polimēru ķemmēm, kas tiek veikts sadarbībā ar Balēru salu universitātes pētniekiem ar nosaukumu: "Microphase Separation of Magnetic Polymer Brushes". Tika demonstrēts, ka, ja daļu no polimēra aistāj ar magnētiskām nanodaļiņām, tad iegūstam, ka šādam polimēram bez horizontālas segregācijas ir novērojama arī vertikāla segregācija. Kā arī vertikālā segregācija ir kontrolējama izmantojot ārējo magnētisko lauku.

Tiek turpināta sadarbība ar Balēru salu universitātes pētnieku J.J. Cerda, kur tiek skaitliski rēķinātas līdzsvara stāvokļi magnētiskām polimēru ķemmēm. Diemžēl tehnisku iemeslu dēļ aprēķini netiek veikti uz LU FMOF pieejamā klāstera, bet uz vairākiem MMML datoriem, kas veiktspējā daudz neatpaliek no klāstera. Šobrīd iegūtie rezultāti ir pietiekami, lai izdarītu secinājumus, tāpēc paralēli tam, ka tiek veikti aprēķini, tiek strādāts arī pie raksta rakstīšanas.

Programmai ar paramagnētiskām daļiņām tika atklāts, ka mainot daļiņu atgrūšanos, padarot daļiņas cietākas, mainās daļiņu ansambļa uzvedība un daļiņās vairāk salīp lielākos veidojumos un mazāk izteikti veido daļiņu ķēdītes. Šis ir viens no iemesliem, kāpēc, izmainot daļiņu izmēru, kvalitatīvi mainījās daļiņu uzvedība.

VIII ceturksnis (01.09.2019.-30.11.2019)

Septembrī devos uz starptautisko konferenci "VII Euro-Asian Symposium "Trends in MAGnetism"" (Eiropas-Āzijas simpozijs "Magnētisma virzieni"), Jekaterinburgā, Krievijā, kur uzstājos ar prezentāciju "Magnetic particle rotation driven non-equilibrium systems" (Magnētisku daļiņu rotācijas radītas nelīdzsvara sistēmas). Konferencē uzzināju par aktuālajiem virzieniem gan sev tuvā magnētisku mīkstu materiālu jomā, gan arī vispārīgi magnētiskajiem materiāliem. Iegūtās zināšanas un informācija par aktuālajiem pētījumu virzieniem palīdzēs ievirzīt turpmākos pētījumus, kas paredzēti magnētiskās hipertermijas (jeb sildīšanas ar magnētisko lauku) virzienā.

Konferencē izrunājām ar Sofia Kantorovich, ka viņa varētu izmantot savu pieredzi, lai vienādojumos, kurus es risinu, pievienotu siltuma troksni un paskatītos, kā daļiņu siltumkustība izmaina izmaina režīmus, ko es iegūstu neņemot vērā siltuma efektus.

Tika turpināta sadarbība ar J.J. Cerda, kur tika skaitliski rēķinātas līdzsvara stāvokļi magnētiskām polimēru ķemmēm. Lai būtu iespēja rēķināt uz LU Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultātē pieejamā klāstera (lieljaudas datora), iepriekšējā Espresso programma, kas bija rakstīta Espresso 3.0.1 versijā (kas bāzēta uz TCL), bija jāpārraksta uz jaunāku Espresso 4.1.1 versiju (kas bāzēta uz Python). Šobrīd iegūts negaidīts rezultāts, ka pievienojot polimēru ķemmei magnētiskas daļiņas, šīs ķemmes polimēri sadalās apgabalos ar viena veida polimēriem. Šobrīd strādājam pie tā, lai noteiktu, kas ir iemesls tam, ka šī ķemme sadalās iegūtajā veidā.

Tika atklāta kļūda parametrizējot vienādojumus, kur attālums starp daļiņu centriem tika pieņemts, ka ir vienāds ar daļiņas rādiusu (jābūt vienādam ar daļiņas diametru). Šobrīd tiek strādāts pie tā, lai piemeklētu parametru izmaiņas, kas dot tādus pašus rezultātus pie jaunā attāluma starp daļiņām. Šai kļūdai ir maza ietekme uz teoriju, bet tā rada vizuālu atšķirību skaitliskajās simulācijās.

VII ceturksnis (01.06.2019.-31.08.2019)

Jūnijā devos uz starptautisko konferenci "Internations Soft Matter Conference 2019" (Starptautiskā mīkstu materiālu konference 2019), Edinburgā, Anglijā, kur uzstājos ar stenda referātu "Stable structures of paramagnetic particles in precessing magnetic field" (paramagnētisku daļiņu stabilās struktūras precesējošā laukā). Konferencē uzzināju par aktualitātēm mīkstās vides jomā. Magnētisma šajā konferencē bija maz, bet liela nozīme bija ķīmijai un bioloģijai, kas nozīmē, ka manos pētījumos nedrīkst aizmirst par ķīmiskajiem un bioloģiskajiem faktoriem, kas tiek aktīvi pētīti.

Jūlijā devos uz citu starptautisko konferenci "15th International Conference of Magnetic Fluids" (15. starptautiskā magnētisko šķidrumu konference) ar stenda referātu "Structures of paramagnetic particles in precessing magnetic field" (Paramagnētisku daļiņu struktūras precesējošā laukā). Konferencē ne tikai uzzināju jaunumus manā pētījumu jomā (magnētiskie koloīdi), bet arī redzēju, ka maniem pētījumiem var būt nozīme magnētisko šķidrumu un magnētiskās hipertermijas pētījumos. Konferencē uzsāku sarunas ar Sofia Kantorovich par iespējamo sadarbību, jo viņa veic pētījumus līdzīgā jomā, kā ir norādīts manā PostDoc'ā.

Pārējā laikā tika strādāts pie programmas, kas rēķinātu elipsoidālu magnētisku daļiņu dinamiku programpaketē ESSPResSo. Bija paredzēts lietot programmā iestrādāto Gay-Berne mijiedarbību, bet veicot aprēķinus tika atklāts, ka šis potenciāls nav pilnīgi elipsoidāls un to nav iespējams pārveidot par tikai atgrūšanās potenciālu, kā arī hidrodinamiskā mijiedarbība šīm daļiņām paliek ar sfērisku simetriju.

VI ceturksnis (01.03.2019.-31.05.2019)

Maijā devos pieredzes apmaiņā uz Baleāru salu Universitāti (Universitat de les Illes Balears), kas atrodas Maljorkā, Spānijā. Lai gan pēc izvēlētās vietas varētu izklausīties, ka devos atpūsties, tomēr tā nebija, jo šajā Universitātē ir pētnieks un pasniedzējs Joan J. Cerda, kas ir speciālists molekulārās dinamikas programmai Espresso (espressomd.org). Pateicoties šai vizītei esmu iemācījies lietot Espresso programmu, lai modelētu elipsoidālas (garenas vai plakanas) magnētiskas daļiņas. Kā arī šī programma ir paredzēta, lai rēķinātu problēmas ar siltumtroksni, kas ir ļoti svarīgs, ja apskata daļiņas ar izmēru nanometros, ko ar paša rakstītu programmu pielikt klāt būtu ļoti laikietilpīgi.

Tā pat Maljorkā pie J. Cerda es izstāstīju par pētījumiem, ko es veicu. J. Cerda izstāstīja par pētījumiem, ko viņš ir veicis ar sfēriskām magnētiskām daļiņām, kurām magnētiskais moments ir nobīdīts no centra, kā arī izstāstīja par saviem pētījumiem ar polimēru "ķemmēm". Vienojāmies, ka varētu veikt kopīgu pētījumu par magnētiskām polimēru ķemmēm, kur daļa no polimēra ir aizstāta ar magnētiskām daļiņām.

Martā un aprīlī tika strādāts pie analītiskām izteiksmēm elipsoidālām daļiņām ar patstāvīgu magnētisko momentu precesējošā magnētiskajā laukā (rotējošā laukā, kuram perpendikulāri ir nemainīgs lauks), kas varētu dot struktūru veidošanās vienādojumu, jeb nevienādību, kas nosaka vai veidojas daļiņu ķēdīte, vai kāda cita struktūra. Šībrīža rezultāti rāda, ka atsevišķas daļiņas vienmēr rotē sinhroni ar lauku. Tas ir citādāk, kā paramagnētiskām daļiņām, kur bija iespējams, ka daļiņai ir asinhrons režīms.

Vēl šajā ceturksnī tika iesniegti raksta labojumi, kā arī sagatavots plakāts priekš gaidāmās starptautiskās mīkstas vides konferences (Internations Soft Matter Conference 2019).

V ceturksnis (01.12.2018.-28.02.2019)

Februāra vidū tika ņemta dalība "Ēnu dienā", kur jaunajā Latvijas Universitātes Zinātņu mājā viesojās 7 skolēni, kas vēlējās redzēt, kā notiek zinātnieka darbs magnētisku mīkstu materiālu laboratorijā. Lai parādītu pēc iespējas vairāk pētnieka darba puses, mēs izvēlējāmies gana vienkāršu pētāmo objektu: magnētisku bumbiņu ķēdīti magnētiskajā laukā. Ēnu dienas laikā , gan tika veikti eksperimenti, gan modelētas skaitliski šo magnētisko bumbiņu līdzsvara figūras, gan veikts salīdzinājums starp skaitlisko modeli un eksperimentu. Kad ēnu diena beidzās, pētījums tika papildināts ar tuvinātu analītisku izteiksmi, kā arī tika meklēti optimālāki veidi, kā būtu iespējams modelēt šādas ķēdītes līdzsvara figūru. Pētījuma rezultāti tika prezentēti Magnētisku mīkstu materiālu laboratorijas seminārā.

Latvijas Universitātes 77. konferences Magnētisku mīkstu materiālu sekcijas sēdē (kopsavilkumi) tika prezentēti šībrīža rezultāti un zinātniskā asistenta J. Užuļa skaitlisko simulāciju rezultāti. Tika atklāts, ka J. Užuļa rezultāti ļoti vizuāli atgādina doktoranta A. Stikuta eksperimentāli iegūto magnētisko pilienu uzvedību. Gan magnētiskie pilieni, gan magnētiskās daļiņas rotējošā laukā veido ķēdītes ar noteiktu garumu, kas izkārtojas heksagonālā režģī. Skaitlisko simulāciju rezultāti pieejami šeit.

Neskatoties uz augstāk minētajiem interesantajiem atklājumiem lielākā darba daļa šajā ceturksnī tika veltīta, lai izmainītu skaitlisko aprēķinu programmu, lai tā spētu ņemt vērā hidrodinamiskās mijiedarbības starp daļiņām, kā arī daļiņu veids skaitliskajā modelī tika nomainīts no paramagnētiskām (kurās magnētiskais lauks rodas tikai ārējā lauka iedarbībā) uz patstāvīgajiem magnētiem (jeb cietiem dipoliem).

IV ceturksnis (01.09.2018.-30.11.2018)

Septembra beigās tika ņemta dalība "Zinātnieku naktī", gan Rīgas centrālajā stacijā, gan Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultātē. Rīgas centrālajā dzelzceļa stacijā tika prezentēta PosctDoc pētījuma aktualitāte un iegūto rezultātu iespējamais pielietojums tuvākā un tālākā nākotnē. Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultātē tika demonstrēta projekta būtība, t.i. kā magnētiskas daļiņas veido ķēdītes un plaknes rotējošā laukā. Kā arī tika demonstrēts, ka stabilitāte tiek iznīcināta, ja ārējā lauka frekvence ir pārāk augsta. demonstrējumiem tika izmantotas daļiņas dažu milimetru zimērā, kas iemērktas ūdenī vai glicerīnā.

Pētījumi tika turpināti apskatot daļiņu asinhronu rotāciju precesējošā laukā, kas ļauj parādīt, kā mainot ārējā lauka frekvenci ir iespējams panākt, ka daļiņas sāk atgrūsties. Tika veikta analītisku izteiksmju iegūšana, gan pieņemot, ka daļiņas spēj sinhronizēties, kas ir novērojams situācijās, kad lauka rotācijas frekvence ir tālu no kritiskās frekvences, gan pieņemot, ka daļiņas nespēj sinhronizēties, kas ir novērojams situācijās, kad lauka rotācijas frekvence ir tuvu kritiskajai. Analītiskās izteiksmes jāsalīdzina ar skaitliskajām simulācijām.

III ceturksnis (01.06.2018.-31.08.2018)

Iegūtas analītiskas izteiksmes, kas nosaka to, vai elipsoidālas paramagnētiskas daļiņas kārtosies plaknē vai ķēdītē precesējošā magnētiskajā laukā. Iegūtās sakarības salīdzinātas ar ekstremālajiem gadījumiem, kad daļiņas ir ļoti izstieptas (gan plakanas, gan garenas) vai ļoti apaļas. Iegūtās sakarības dod sakritību šajos gadījumos. Vieglākai analītisko izteiksmju uztveršanai, iegūtās sakarības attēlotas grafiski. Veikti iegūto analītiasko sakarību salīdzinājums ar skaitliskajām simulācijām. Iegūtie rezultāti ļauj secināt, ka analītiskās izteiksmes dod labu sakritību ar skaitliskajām simulācijām.

Pabeigts darbs pie publikācijas “Stability of paramagnetic spheroid in precessing field”, kuras preprint pieejams: arxiv.org/abs/1807.06379.

II ceturksnis (01.03.2018.-31.05.2018)

Izmantojot iepriekšējā periodā izveidoto Python programmu tika iegūti video, kur novērojama daļiņu kārtošanās ķēdītēs (ja lauks ir gandrīz konstants) vai plaknē (ja lauks rotē plaknē) (video konstantā lauka daļa ir perpendikulāra attēla plaknei un rotējošā daļa ir attēla plaknē).

Ir skaidrs, ka ir iespējams iegūt daļiņu kārtošanos ķēdītēs vai plaknē, tāpēc lielākā darba daļa otrajā projekta ceturksnī tika veltīta teorijas izstrādei, kas noteiktu kritiskos parametrus, pie kuriem daļiņu kārtošanās mainās no kārtošanās plaknē uz kārtošanos ķēdītē. Teorijas pamatā tiek izmantoti Doktora disertācijā iegūtie stabilie režīmi individuālai paramagnētiskas daļiņas dinamikai precesējošā laukā.

Tā kā disertācijā iegūtie rezultāti nav publicēti zinātniskā žurnālā, tad tika turpināts darbs pie raksta par individuālas paramagnētiskas daļiņas dinamiku precesējošā laukā, kur tiks salīdzināta doktora darbā iegūtā teorija ar eksperimentālajiem rezultātiem.

Iegūtie rezultāti prezentēti Magnētisku Mīkstu Materiālu Laboratorijas (MMML) seminārā (MMML kalendāra notikums). Turpmākajiem MMML semināriem sekot līdzi mmml.lu.lv.

Kvalifikācijas celšanas nolūkos tika apmeklētas LU tālākizglītības programmas “Ievads docētāja darbā” nodarbības. (kursa apraksts). Tā ietvaros tiek attīstība nepieciešamā pedagoģiskā kompetence un veicināta gatavība akadēmiskajam darbam augstskolā.

14. aprīlī Jauno Fiziķu Skolas nodarbībā par Gastrofiziku stāstīju par putu stabilitāti jeb kā pārdot vairāk saldējuma.

I ceturksnis (01.12.2017.-28.02.2018)

Lai sekotu līdzi pētījuma joma attīstībai un pētījuma aktualitāti un nepieciešamības gadījumā pilnveidotu plānoto pētījumu, tika iesniegta tēze konferencei “Flowing Matter 2018”. Konferencē uzstājos ar posteri, kura pamatā tika izmantoti agrākie rezultāti, kas saistās ar WP1 tematiku.

    • J. Cīmurs Stability analysis of a paramagnetic spheroid in precessing magnetic field, Flowing Matter 2018, Lisbon, Portugal, 2018.02.05-09 (program), organized by COST MP1305 Flowing matter

Atbilstoši plānam, lielākā darba daļa pirmajā ceturksnī veltīta datorprogrammas izveidei, kas rēķina mijiedarbojošos paramagnētisku daļiņu ansambļa dinamiku. Pirmkārt, tika analizēta jaunākā zinātniska literatūra par magnētisku daļiņu ansambļu skaitliskajām simulācijām. Otrkārt, izveidots algoritms, kas rēķina daļiņu dinamiku ņemot vērā magnētisko lauku, ko rada citas daļiņas. Treškārt, izveidotais algoritms implementēts Python kodā. Šobrīd algoritms ņem vērā tikai magnētiskās mijiedarbības starp daļiņām. Algoritms ir jāuzlabo, lai ņemtu vērā arī hidrodinamiskās mijiedarbības.

Papildus tika aizsākts darbs pie zinātniskās publikācijas par individuālas paramagnētiskas daļiņas dinamiku precesējošā laukā, kur tiks salīdzināta doktora darbā iegūtā teorija ar eksperimentālajiem rezultātiem.

Paralēli, veiktas darbības profesionālai pilnveidei un kapacitātes celšanai. Pirmkārt, organizēta LU 76. konferences sekcijas sēde “Kolokvijs - 50 gadi magnētisma pasaulē” (informācija), kurai arī sagatavots mutisks referāts:

    • J. Cīmurs, Atsevišķu magnētisko daļiņu pētījumi magnētiskajā laukā (Research of Individual Magnetic Particles in Magnetic Field), LU 76. konference, “Kolokvijs – 50 gadi magnētisma pasaulē”, Rīga, Latvija, 2018.02.02. (plānojums)

Otrkārt, apmeklētas LU tālākizglītības programmas “Ievads docētāja darbā” nodarbības. (kursa apraksts)

Zinātnes un projekta popularizēšanai ņemta dalība pasākumā “Ēnu diena”, kur tika izrādīts zinātnieka darbs Latvijas Universitātes Mīkstu materiālu laboratorijā četriem skolēniem. (apskatraksts)