Ферромагнитная жидкость — это жидкость, которая притягивается к полюсам магнита . Это коллоидная жидкость, состоящая из наноразмерных ферромагнитных или ферримагнитных частиц, взвешенных в жидкости- носителе (обычно органическом растворителе или воде). [1] Каждая магнитная частица тщательно покрыта поверхностно-активным веществом для предотвращения комкования. Крупные ферромагнитные частицы могут быть вырваны из однородной коллоидной смеси, образуя отдельный комок магнитной пыли при воздействии сильных магнитных полей. Магнитное притяжение крошечных наночастиц достаточно слабое, чтобы силы Ван-дер-Ваальса поверхностно-активного вещества было достаточно для предотвращения магнитного комкования или агломерации . Ферромагнитные жидкости обычно не сохраняют намагниченность в отсутствие внешнего приложенного поля и поэтому часто классифицируются как « суперпарамагнетики », а не ферромагнетики. [2]
В отличие от феррожидкостей, магнитореологические жидкости (МР-жидкости) являются магнитными жидкостями с более крупными частицами. То есть феррожидкость содержит в основном наночастицы, в то время как МР-жидкость содержит в основном частицы микрометрового масштаба. Частицы в феррожидкости взвешены броуновским движением и , как правило, не оседают при нормальных условиях, в то время как частицы в МР-жидкости слишком тяжелы, чтобы быть взвешенными броуновским движением. Поэтому частицы в МР-жидкости будут со временем оседать из-за присущей им разницы в плотности между частицами и их несущей жидкостью. В результате феррожидкости и МР-жидкости имеют очень разные области применения.
Процесс изготовления феррожидкости был изобретен в 1963 году Стивом Папеллом из НАСА для создания жидкого ракетного топлива , которое можно было бы притянуть к топливному насосу в невесомой среде с помощью магнитного поля. [3] Было введено название феррожидкость, процесс был усовершенствован, синтезированы более сильномагнитные жидкости, открыты дополнительные жидкости-носители и объяснена физическая химия Р. Э. Розенвейгом и его коллегами. Кроме того, Розенвейг разработал новую ветвь механики жидкости, названную феррогидродинамикой, которая послужила толчком к дальнейшим теоретическим исследованиям интригующих физических явлений в феррожидкостях. [4] [5] [6] [7] В 2019 году исследователям из Массачусетского университета и Пекинского университета химико-технологий удалось создать постоянно магнитную феррожидкость, которая сохраняет свой магнетизм при удалении внешнего магнитного поля. Исследователи также обнаружили, что магнитные свойства капли сохраняются, даже если ее форма физически изменена или она разделена. [8]
.jpg/1280px-R._E._Rosensweig_with_ferrofluid_in_his_lab_(1965).jpg)
Феррожидкости состоят из очень маленьких наночастиц (диаметр обычно 10 нанометров или меньше) магнетита , гематита или другого соединения, содержащего железо , и жидкости (обычно масла ). Этого достаточно для того, чтобы тепловое перемешивание равномерно распределило их в жидкости-носителе и чтобы они внесли свой вклад в общий магнитный отклик жидкости. Это похоже на то, как ионы в водном парамагнитном солевом растворе (например, водный раствор сульфата меди (II) или хлорида марганца (II) ) делают раствор парамагнитным. Состав типичной феррожидкости составляет около 5% магнитных твердых веществ, 10% поверхностно-активного вещества и 85% носителя по объему. [9]
Частицы в феррожидкостях диспергируются в жидкости, часто с использованием поверхностно-активного вещества , и, таким образом, феррожидкости представляют собой коллоидные суспензии – материалы со свойствами более чем одного состояния вещества. В этом случае два состояния вещества – это твердый металл и жидкость, в которой он находится. [10] Эта способность менять фазы при приложении магнитного поля позволяет использовать их в качестве уплотнений , смазок и может открыть новые применения в будущих наноэлектромеханических системах .
Настоящие феррожидкости стабильны. Это означает, что твердые частицы не агломерируются и не разделяются на фазы даже в очень сильных магнитных полях. Однако поверхностно-активное вещество имеет тенденцию разрушаться с течением времени (несколько лет), и в конечном итоге наночастицы будут агломерироваться, разделяться и больше не будут способствовать магнитному отклику жидкости.
Термин магнитореологическая жидкость (МРЖ) относится к жидкостям, похожим на феррожидкости (ФЖ), которые затвердевают в присутствии магнитного поля. Магнитореологические жидкости имеют магнитные частицы микрометрового масштаба, которые на один-три порядка больше, чем у феррожидкостей.
Однако феррожидкости теряют свои магнитные свойства при достаточно высоких температурах, известных как температура Кюри .
Когда парамагнитная жидкость подвергается воздействию сильного вертикального магнитного поля , поверхность образует регулярный рисунок пиков и впадин. Этот эффект известен как эффект Розенвейга или неустойчивость нормального поля . Неустойчивость вызывается магнитным полем; ее можно объяснить, рассмотрев, какая форма жидкости минимизирует общую энергию системы. [11]
С точки зрения магнитной энергии пики и впадины энергетически выгодны. В гофрированной конфигурации магнитное поле концентрируется в пиках; поскольку жидкость легче намагничивается, чем воздух, это снижает магнитную энергию. В результате пики жидкости выталкивают силовые линии в пространство, пока не будет достигнут баланс задействованных сил. [12]
В то же время образованию пиков и впадин противостоят гравитация и поверхностное натяжение . Это требует энергии как для перемещения жидкости из впадин вверх в пики, так и для увеличения площади поверхности жидкости. Подводя итог, можно сказать, что образование гофр увеличивает поверхностную свободную энергию и гравитационную энергию жидкости, но уменьшает магнитную энергию. Гофры будут образовываться только выше критической напряженности магнитного поля , когда уменьшение магнитной энергии перевешивает увеличение поверхностной и гравитационной энергии. [13]
Ферромагнитные жидкости обладают исключительно высокой магнитной восприимчивостью , а критическое магнитное поле для возникновения гофр может быть создано с помощью небольшого стержневого магнита.
Мыльные поверхностно-активные вещества, используемые для покрытия наночастиц, включают, среди прочего:
Эти поверхностно-активные вещества предотвращают слипание наночастиц, поэтому частицы не могут выпасть из суспензии или слипнуться в кучу магнитной пыли вблизи магнита. Магнитные частицы в идеальной феррожидкости никогда не оседают, даже при воздействии сильного магнитного поля. Поверхностно-активное вещество имеет полярную головку и неполярный хвост (или наоборот), один из которых адсорбируется на наночастице, в то время как неполярный хвост (или полярная головка) торчит в несущую среду, образуя обратную или обычную мицеллу , соответственно, вокруг частицы. Электростатическое отталкивание затем предотвращает агломерацию частиц.
Хотя поверхностно-активные вещества полезны для продления скорости осаждения в феррожидкостях, они также препятствуют магнитным свойствам жидкости (в частности, магнитному насыщению жидкости ). Добавление поверхностно-активных веществ (или любых других посторонних частиц) уменьшает плотность упаковки феррочастиц в активированном состоянии, тем самым уменьшая вязкость жидкости в активированном состоянии , что приводит к получению «более мягкой» активированной жидкости. Хотя вязкость в активированном состоянии («твердость» активированной жидкости) менее важна для некоторых применений феррожидкостей, она является основным свойством жидкости для большинства их коммерческих и промышленных применений, и поэтому необходимо найти компромисс при рассмотрении вязкости в активированном состоянии по сравнению со скоростью осаждения феррожидкости.
Феррожидкости используются для образования жидких уплотнений вокруг вращающихся приводных валов жестких дисков . Вращающийся вал окружен магнитами. Небольшое количество феррожидкости, помещенное в зазор между магнитом и валом, будет удерживаться на месте за счет притяжения к магниту. Жидкость магнитных частиц образует барьер, который предотвращает попадание мусора внутрь жесткого диска. По словам инженеров Ferrotec, феррожидкостные уплотнения на вращающихся валах обычно выдерживают от 3 до 4 фунтов на квадратный дюйм; [ необходима цитата ] дополнительные уплотнения могут быть сложены для формирования узлов, способных выдерживать более высокие давления.
Ферромагнитные жидкости обладают способностью уменьшать трение . Если их нанести на поверхность достаточно сильного магнита, например, сделанного из неодима , они могут заставить магнит скользить по гладким поверхностям с минимальным сопротивлением.
Феррожидкости также могут использоваться в полуактивных амортизаторах в механических и аэрокосмических приложениях. В то время как пассивные амортизаторы, как правило, более громоздкие и рассчитаны на определенный источник вибрации, активные амортизаторы потребляют больше энергии. Амортизаторы на основе феррожидкости решают обе эти проблемы и становятся популярными в вертолетном сообществе, [ требуется цитата ] , которому приходится иметь дело с большими инерционными и аэродинамическими вибрациями.
Феррожидкости можно использовать для визуализации структур магнитных доменов на поверхности ферромагнитных материалов с использованием метода, разработанного Фрэнсисом Биттером . [14]
Начиная с 1973 года, феррожидкости использовались в громкоговорителях для отвода тепла от звуковой катушки и пассивного демпфирования движения конуса. Они находятся в том, что обычно является воздушным зазором вокруг звуковой катушки, удерживаясь на месте магнитом динамика. Поскольку феррожидкости являются парамагнитными, они подчиняются закону Кюри и, таким образом, становятся менее магнитными при более высоких температурах. Сильный магнит, размещенный рядом со звуковой катушкой (которая выделяет тепло), будет притягивать холодную феррожидкость больше, чем горячую, таким образом отталкивая нагретую феррожидкость от электрической звуковой катушки к радиатору . Это относительно эффективный метод охлаждения, который не требует дополнительного ввода энергии. [15]
Боб Берковиц из Acoustic Research начал изучать феррожидкость в 1972 году, используя ее для гашения резонанса твитера. Дэна Хэтэуэй из Epicure в Массачусетсе использовал феррожидкость для гашения твитера в 1974 году, и он заметил механизм охлаждения. Фред Беккер и Лу Мелилло из Becker Electronics также были ранними последователями в 1976 году, а Мелилло присоединился к Ferrofluidics и опубликовал статью в 1980 году. [16] В концертном звуке Showco начала использовать феррожидкость в 1979 году для охлаждения вуферов. [17] Panasonic была первым азиатским производителем, который применил феррожидкость в коммерческих громкоговорителях в 1979 году. Эта область быстро развивалась в начале 1980-х годов. Сегодня ежегодно производится около 300 миллионов звукоизлучающих преобразователей с ферромагнитной жидкостью внутри, включая динамики, установленные в ноутбуках, сотовых телефонах, наушниках и вкладышах. [18]
Феррожидкости, конъюгированные с антителами или обычными агентами захвата, такими как стрептавидин (SA) или крысиный антимышиный Ig (RAM), используются в иммуномагнитной сепарации , подмножестве сортировки клеток . [19] Эти конъюгированные феррожидкости используются для связывания с целевыми клетками, а затем магнитного отделения их от клеточной смеси с использованием низкоградиентного магнитного сепаратора. Эти феррожидкости имеют такие применения, как клеточная терапия , генная терапия , клеточное производство и т. д.
С эстетической стороны, феррожидкости могут быть отображены для визуализации звука . Для этой цели капля феррожидкости подвешена в прозрачной жидкости. Электромагнит воздействует на форму феррожидкости в ответ на громкость или звуковую частоту музыки, позволяя ей избирательно реагировать на высокие или низкие частоты песни. [20] [21]
Магнитооптическое устройство и динамическая линза для просмотра потока магнитного поля могут быть созданы с использованием суперпарамагнитной тонкой пленки, инкапсулированной и запечатанной между двумя оптическими плоскими стеклами. Тонкая пленка сделана из сильно разбавленной, почти прозрачной феррожидкости толщиной в несколько микрон. Ферролинза имеет светодиодную кольцевую матрицу по периметру, которая освещает ее. Когда внешнее магнитное поле проецируется на поверхность тонкой пленки, оно создает двумерный рисунок отпечатка магнитного поля потока, аналогичный классическому эксперименту Фарадея с железными опилками . Этот рисунок включает информацию о глубине поля внешнего поля, отображаемого устройством ферролинзы, несмотря на то, что тонкая пленка имеет конечную толщину всего в несколько микрон (т. е. от 10 до 20 мкм). [22]
Несколько феррожидкостей были проданы для использования в качестве контрастных агентов в магнитно-резонансной томографии , которые зависят от разницы во времени магнитной релаксации различных тканей для обеспечения контраста. [23] [24] Несколько агентов были представлены, а затем отозваны с рынка, включая Feridex IV (также известный как Endorem и ferumoxides), снятый с производства в 2008 году; [25] resovist (также известный как Cliavist), с 2001 по 2009 год; [26] Sinerem (также известный как Combidex), снятый с производства в 2007 году; [27] Lumirem (также известный как Gastromark), с 1996 [28] по 2012 год; [29] [30] Clariscan (также известный как PEG-fero, Feruglose и NC100150), разработка которого была прекращена из-за проблем безопасности. [31]
Феррожидкости могут быть созданы для самоорганизации игольчатых острых кончиков нанометрового масштаба под воздействием магнитного поля. Когда они достигают критической тонкости, иглы начинают испускать струи, которые могут быть использованы в будущем в качестве механизма тяги для приведения в движение небольших спутников, таких как CubeSats . [32]
Ферромагнитные жидкости имеют многочисленные оптические применения из-за их преломляющих свойств; то есть, каждая крупинка, микромагнит , отражает свет. Эти применения включают измерение удельной вязкости жидкости, помещенной между поляризатором и анализатором , освещенной гелий-неоновым лазером . [33]
Феррожидкости были предложены для магнитного нацеливания лекарств. В этом процессе лекарства будут прикреплены или заключены в феррожидкости и могут быть направлены и выборочно высвобождены с помощью магнитных полей. [34]
Также было предложено использовать целенаправленную магнитную гипертермию для преобразования электромагнитной энергии в тепло. [35]
Также было предложено использовать своего рода нанохирургию для отделения одной ткани от другой, например, опухоли от ткани, в которой она выросла. [23]
Внешнее магнитное поле, наложенное на феррожидкость с переменной восприимчивостью (например, из-за градиента температуры), приводит к неравномерной магнитной силе тела, что приводит к форме теплопередачи , называемой термомагнитной конвекцией . Эта форма теплопередачи может быть полезна, когда обычная конвекционная теплопередача недостаточна; например, в миниатюрных микромасштабных устройствах или в условиях пониженной гравитации .
Феррожидкости подходящего состава могут демонстрировать чрезвычайно большое улучшение теплопроводности (k; ~300% от теплопроводности базовой жидкости). Большое улучшение k обусловлено эффективным переносом тепла через просачивающиеся пути наночастиц. Специальные магнитные наножидкости с настраиваемым отношением теплопроводности к вязкости могут использоваться в качестве многофункциональных «умных материалов», которые могут отводить тепло, а также гасить вибрации (демпфер). Такие жидкости могут найти применение в микрофлюидных устройствах и микроэлектромеханических системах ( MEMS ). [36]
Ведутся исследования по созданию адаптивного оптического изменяющего форму магнитного зеркала из феррожидкости для наземных астрономических телескопов . [37]
Оптические фильтры используются для выбора различных длин волн света. Замена фильтров обременительна, особенно когда длина волны непрерывно меняется с помощью лазеров перестраиваемого типа. Оптические фильтры, настраиваемые на различные длины волн путем изменения магнитного поля, могут быть построены с использованием феррожидкостной эмульсии. [38]
Феррожидкости позволяют собирать энергию вибрации из окружающей среды. Существующие методы сбора низкочастотных (<100 Гц) вибраций требуют использования твердых резонансных структур. С феррожидкостями конструкции сборщиков энергии больше не нуждаются в твердой структуре. Одним из примеров сбора энергии на основе феррожидкости является помещение феррожидкости внутрь контейнера для использования внешних механических колебаний для генерации электричества внутри катушки, обернутой вокруг контейнера, окруженного постоянным магнитом. [39] Сначала феррожидкость помещается внутрь контейнера, который обернут катушкой провода. Затем феррожидкость намагничивается снаружи с помощью постоянного магнита. Когда внешние вибрации заставляют феррожидкость плескаться в контейнере, происходит изменение магнитных полей потока относительно катушки провода. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея , в катушке провода индуцируется напряжение из-за изменения магнитного потока. [39]
