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Magneto-Mechanical Coupling Study of Magnetorheological Elastomer Thin Films for Sensitivity Enhancement

材料科学 磁致伸缩 磁流变液 磁场 饱和(图论) 磁流变弹性体 复合材料 剩磁 弹性体 磁性纳米粒子 模数 磁化 核磁共振 纳米技术 物理 纳米颗粒 数学 组合数学 量子力学
作者
Shengbo Sang,Qiuyun Tan,Qian Chai,Jiaolin Jiang,Kaile Wu,Pengli Xiao,Dong Zhao,Xing Guo,Zhuoqing Yang,Xiushan Dong,Ge Yang
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:9 (1): 406-414
标识
DOI:10.1021/acssensors.3c02171
摘要

Magnetorheological elastomer thin films (MREFs) exhibit remarkable deformability and an adjustable modulus under magnetic fields, rendering them promising in fields such as robotics, flexible sensors, and biomedical engineering. Here, we fabricated MREF by introducing magnetostrictive particles (MSPs) and evaluated the magneto-mechanical coupling effect on the enhancement of sensitivity. The saturation magnetization (Ms) in a parallel anisotropic TbDyFe-PDMS MREF was 5.8 emu/g, and the initial tensile modulus was 55% greater than that of an Iso MREF. We propose a nonlinear magnetorheological formula on the magnetostriction effect, incorporating magnetic dipole interactions and the nonlinear prestress of magnetic particles. This formula highlights the complex nonlinear relationship between the external magnetic field (H) and the key parameters that affect the enhanced MR effect of MSPs-MREF, such as saturation magnetization, remanence (Mr), magnetostriction constant (λs) and stress deviator in ferromagnetic particles (Sed) in the magnetic chain structure. Furthermore, we validate the influence of the key parameters of the rectified magnetorheological formula on a nonlinear magneto-mechanical behavior of MSPs-MREF in PDMS-based MSPs-MREF models by using finite-element simulations. Finally, we developed a biosensor based on MSPs-MREF to detect human serum albumin at low concentrations in human urine samples. There is a 4-fold increase in sensitivity, a lower detection of limit (0.442 μg/mL), and a faster response time (15 min) than traditional biosensors, which in the future might provide an effective way of detecting biomolecules of low concentrations.
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