Работа посвящена изучению магнитных ловушек на основе постоянных магнитов для левитации диамагнитных микроразмерных частиц. Левитирующие в воздухе или вакууме микрочастицы чрезвычайно изолированы от окружающей среды, что позволяет использовать их для разнообразных применений в области левитодинамики. В экспериментальной части работы исследуется эффективность струйного небулайзера в качестве инструмента для доставки микрочастицы в магнитную ловушку. Процесс распыления 5 различных суспензий микрочастиц полимеров и диоксида кремния диаметром 1.5-5.2 мкм изучен при помощи высокоскоростной камеры и оптической микроскопии. В результате установка по распылению частиц успешно выполняет свои функции, но её эффективность может быть значительно повышена за счёт увеличения числа распылённых частиц, контроля над их скоростью, осушения избыточной жидкости в распыляемых каплях. Также, выполнено численное моделирование 8 конфигураций горизонтальных магнитных ловушек. Проведён сравнительный анализ магнитных ловушек, состоящих из постоянных магнитов в форме цилиндров, конусов и «карандашей» различных размеров, и выявлено 6 сильных магнитных ловушек. Магниты-«карандаши» способны лучше прочих изученных конфигураций концентрировать магнитное поле. Глубина потенциальной ямы в таких ловушках составляет ~7·10^(-18) Дж, что позволяет удержать левитирующую частицу вопреки её тепловым флуктуациям. Наконец, изучено влияние геометрии магнита на эффективность ловушки, и найден оптимальный радиус закругления острия магнита R=75 мкм.

This thesis is devoted to the study of a particle’s magnetic trapping. Being trapped, or levitated, the particle becomes well-isolated, which makes it suitable for various levitodynamics applications. In experimental part of the thesis, an efficiency of nebulization as a trap loading technique is investigated. 5 suspensions of silica and polymer particles 1.5-5.2 μm in size are sprayed via a jet nebulizer and studied by optical microscopy and high-speed imaging. The nebulization setup performs its function properly but requires further improvements such as increasing the number of produced particles, their visualization and launching speed control, and implementing dehydration procedures. In modeling part of the work, 8 different configurations of horizontal magnetic traps are numerically simulated and compared. Geometries built from cone, cylindrical and pencil-shape permanent magnets are consistently investigated to determine their trapping ability. As a result, 6 strong magnetic gaps including 3 configurations of rods and 3 configurations of pencil-shape magnets are revealed. The pencil-shape magnets demonstrate better localization of the trapping area and provide trap depth of ~7·10^(-18) J which is large enough to overwhelm the thermal fluctuations. An effect of geometrical parameters on the pencil configuration’s performance is studied, and an optimal tip radius is 75 μm.

• List of abbreviations
• Chapter 1. Introduction
• 1.1 Background
• 1.2 Objectives and delimitations
• 1.3 Structure of the thesis
• Chapter 2. Literature review
• 2.1. Micromanipulation overview.
• 2.2. Levitation mechanisms
  • 2.2.1. Optical trap
  • 2.2.2. Magnetic trap
  • 2.2.3. Acoustic trap
  • 2.2.4. Electrical trap
• 2.3. Levitodynamics applications
  • 2.3.1. Highly sensitive detectors
  • 2.3.2. Rotational dynamics of levitated objects
  • 2.3.3. Microscopic thermodynamics
• 2.4. Particle loading techniques
• Chapter 3. Part I: Experiments on aerosolization of microparticles
• 3.1 Preparation of the suspensions
• 3.2 Nebulization procedure
• 3.3 Samples characterization by optical microscopy and image processing
• 3.4 High-speed camera imaging
• 3.5 Results
  • 3.5.1 Deposition onto a glass slide
  • 3.5.2 High-speed imaging
• Chapter 4. Part II: Numerical simulations of magnetic traps
• 4.1 Principles of diamagnetic levitation
• 4.2 COMSOL model description
• 4.3. Magnetic trap configurations
• 4.4. Results
  • 4.4.1. Magnetic field distribution
  • 4.4.2. Magnetic potential energy
  • 4.4.3. Force balance
  • 4.4.4. Levitation position
  • 4.4.5. Oscillation frequency
  • 4.4.6. Trap depth
  • 4.4.7. Varied geometry in the pencil configuration
• Chapter 5. Discussion
• Chapter 6. Conclusion
• References