stringtranslate.com

Феррожидкость

Феррожидкость на стекле, под ней неодимовый магнит.
Стив Папелл изобрел феррожидкость для НАСА в 1963 году.

Феррожидкость – 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 , предотвращающим слипание. Крупные ферромагнитные частицы могут вырваться из однородной коллоидной смеси, образуя при воздействии сильных магнитных полей отдельный комок магнитной пыли. Магнитное притяжение крошечных наночастиц достаточно слабое, поэтому силы Ван-дер-Ваальса поверхностно-активного вещества достаточно, чтобы предотвратить магнитное слипание или агломерацию . Феррожидкости обычно не сохраняют намагниченность в отсутствие внешнего поля и поэтому их часто классифицируют как « суперпарамагнетики », а не ферромагнетики. [2]

В отличие от феррожидкостей, магнитореологические жидкости (МР-жидкости) представляют собой магнитные жидкости с более крупными частицами. То есть феррожидкость содержит в основном наночастицы, а MR-жидкость содержит в основном частицы микрометрового размера. Частицы в феррожидкости подвешиваются за счет броуновского движения и обычно не оседают в нормальных условиях, тогда как частицы в MR-жидкости слишком тяжелы, чтобы их можно было суспендировать за счет броуновского движения. Поэтому частицы в MR-жидкости со временем оседают из-за присущей им разницы в плотности между частицами и их жидкостью-носителем. В результате феррожидкости и MR-жидкости имеют совершенно разные применения.

Процесс изготовления феррожидкости был изобретен в 1963 году сотрудником НАСА Стивом Папеллом для создания жидкого ракетного топлива , которое можно было бы подавать к топливному насосу в невесомости с помощью магнитного поля. [3] Было введено название «феррожидкость», усовершенствован процесс, синтезированы более сильномагнитные жидкости, открыты дополнительные жидкости-носители, а Р.Э. Розенсвейг и его коллеги объяснили физическую химию. Кроме того, Розенсвейг разработал новую ветвь механики жидкости, названную феррогидродинамикой, которая положила начало дальнейшим теоретическим исследованиям интригующих физических явлений в феррожидкостях. [4] [5] [6] [7] В 2019 году исследователям из Массачусетского университета и Пекинского химико-технологического университета удалось создать постоянно магнитную феррожидкость, которая сохраняет свой магнетизм даже при отсутствии внешнего магнитного поля. Исследователи также обнаружили, что магнитные свойства капли сохранялись, даже если ее форма была физически изменена или разделена. [8]

Описание

Р.Э. Розенсвейг с феррожидкостью в своей лаборатории (1965 г.)

Феррожидкости состоят из очень маленьких наночастиц (диаметр обычно 10 нанометров или меньше) магнетита , гематита или какого-либо другого соединения, содержащего железо , и жидкости (обычно масла ). Этого достаточно мало, чтобы тепловое перемешивание равномерно распределило их внутри жидкости-носителя и способствовало общему магнитному отклику жидкости. Это похоже на то, как ионы в водном растворе парамагнитной соли (например, водном растворе сульфата меди (II) или хлорида марганца (II) ) делают раствор парамагнитным. Состав типичной феррожидкости состоит из примерно 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 двумя состояниями вещества являются твердый металл и жидкость, в котором оно находится. [10] Эта способность изменять фазы с помощью магнитного поля позволяет использовать их в качестве уплотнений , смазок и может открыть новые возможности применения. в будущих наноэлектромеханических системах .

Настоящие феррожидкости стабильны. Это означает, что твердые частицы не агломерируются и не разделяются по фазам даже в чрезвычайно сильных магнитных полях. Однако поверхностно-активное вещество имеет тенденцию разрушаться с течением времени (несколько лет), и в конечном итоге наночастицы агломерируются, отделяются и больше не участвуют в магнитном отклике жидкости.

Термин магнитореологическая жидкость (MRF) относится к жидкостям, подобным феррожидкостям (FF), которые затвердевают в присутствии магнитного поля. Магнитореологические жидкости содержат магнитные частицы микрометрового размера, которые на один-три порядка больше, чем у феррожидкостей.

Однако феррожидкости теряют свои магнитные свойства при достаточно высоких температурах, известных как температура Кюри .

Нестабильность нормального поля

Феррожидкость — это маслянистое вещество, собирающееся на полюсах магнита, находящегося под белой тарелкой. [ нужны разъяснения ]

Когда парамагнитная жидкость подвергается воздействию сильного вертикального магнитного поля , поверхность образует регулярный узор из пиков и впадин. Этот эффект известен как неустойчивость Розенсвейга или нормального поля . Нестабильность обусловлена ​​магнитным полем; это можно объяснить, рассмотрев, какая форма жидкости минимизирует полную энергию системы. [11]

С точки зрения магнитной энергии пики и спады энергетически выгодны. В гофрированной конфигурации магнитное поле сосредоточено в пиках; поскольку жидкость легче намагничивается, чем воздух, это снижает магнитную энергию. В результате выбросы жидкости уносятся по силовым линиям в пространство до тех пор, пока не будет достигнут баланс задействованных сил. [12]

В то же время образованию пиков и впадин препятствует сила тяжести и поверхностное натяжение . Требуется энергия как для перемещения жидкости из впадин к выступам, так и для увеличения площади поверхности жидкости. Таким образом, образование гофров увеличивает свободную поверхностную энергию и гравитационную энергию жидкости, но уменьшает магнитную энергию. Гофры образуются только при напряженности критического магнитного поля , когда уменьшение магнитной энергии перевешивает увеличение поверхностной и гравитационной энергии. [13]

Моделирование феррожидкости для различных параметров поверхностного натяжения и напряженности магнитного поля

Феррожидкости обладают исключительно высокой магнитной восприимчивостью , а критическое магнитное поле, способствующее возникновению гофров, можно создать с помощью небольшого стержневого магнита.

Макрофотография феррожидкости под воздействием магнита.

Общие поверхностно-активные вещества для феррожидкостей

Мыльные поверхностно-активные вещества , используемые для покрытия наночастиц, включают, помимо прочего:

Эти поверхностно-активные вещества предотвращают слипание наночастиц друг с другом, поэтому частицы не могут выпасть из суспензии или слипнуться в кучу магнитной пыли рядом с магнитом. Магнитные частицы в идеальной феррожидкости никогда не оседают, даже под воздействием сильного магнитного поля. Поверхностно-активное вещество имеет полярную головку и неполярный хвост (или наоборот), один из которых адсорбируется на наночастице, а неполярный хвост (или полярная головка) торчит в несущую среду, образуя обратную или регулярную мицеллу . соответственно, вокруг частицы. Электростатическое отталкивание предотвращает агломерацию частиц.

Хотя поверхностно-активные вещества полезны для увеличения скорости осаждения феррожидкостей, они также препятствуют магнитным свойствам жидкости (в частности, магнитному насыщению жидкости ). Добавление поверхностно-активных веществ (или любых других посторонних частиц) снижает плотность упаковки феррочастиц в активированном состоянии, тем самым уменьшая вязкость жидкости в открытом состоянии , что приводит к получению «более мягкой» активированной жидкости. Хотя вязкость в открытом состоянии («твердость» активированной жидкости) не вызывает особого беспокойства для некоторых применений феррожидкостей, она является основным свойством жидкости для большинства коммерческих и промышленных применений, и поэтому при рассмотрении необходимо найти компромисс. Вязкость в открытом состоянии в зависимости от скорости осаждения феррожидкости.

Феррожидкость в магнитном поле демонстрирует нестабильность нормального поля, вызванную неодимовым магнитом под тарелкой.

Приложения

Текущий

Электронные устройства

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 давление от 3 до 4 фунтов на квадратный дюйм; [ нужна ссылка ] Дополнительные уплотнения могут быть сложены друг на друга, чтобы сформировать узлы, способные выдерживать более высокие давления.

Машиностроение

Феррожидкости обладают способностью снижать трение . Если нанести его на поверхность достаточно сильного магнита, например, из неодима , это может привести к скольжению магнита по гладким поверхностям с минимальным сопротивлением.

Феррожидкости также можно использовать в полуактивных амортизаторах в механической и аэрокосмической технике. В то время как пассивные демпферы, как правило, более громоздкие и предназначены для конкретного источника вибрации, активные демпферы потребляют больше энергии. Демпферы на основе феррожидкости решают обе эти проблемы и становятся популярными в вертолетном сообществе, которому приходится иметь дело с сильными инерционными и аэродинамическими вибрациями.

Материаловедение

Феррожидкости можно использовать для изображения магнитных доменных структур на поверхности ферромагнитных материалов с использованием метода, разработанного Фрэнсисом Биттером . [14]

Колонки

Начиная с 1973 года в громкоговорителях используются феррожидкости для отвода тепла от звуковой катушки и пассивного демпфирования движения диффузора. Они расположены в воздушном зазоре вокруг звуковой катушки и удерживаются на месте магнитом динамика. Поскольку феррожидкости парамагнитны, они подчиняются закону Кюри и, таким образом, становятся менее магнитными при более высоких температурах. Сильный магнит, расположенный рядом со звуковой катушкой (который производит тепло), будет притягивать холодную феррожидкость больше, чем горячую феррожидкость, таким образом отталкивая нагретую феррожидкость от электрической звуковой катушки к радиатору . Это относительно эффективный метод охлаждения, не требующий дополнительных затрат энергии. [15]

Боб Берковиц из Acoustic Research начал изучать феррожидкость в 1972 году, используя ее для гашения резонанса твитера. Дана Хэтэуэй из Epicure в Массачусетсе использовал феррожидкость для демпфирования твитеров в 1974 году и заметил механизм охлаждения. Фред Беккер и Лу Мелилло из Becker Electronics также были одними из первых, кто внедрил эту технологию 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 низкочастотных динамиков. [17] Panasonic была первым азиатским производителем, применившим феррожидкость в коммерческих громкоговорителях в 1979 году. В начале 1980-х годов эта область быстро развивалась. Сегодня около 300 миллионов звукогенерирующих преобразователей в год производятся с феррожидкостью внутри, включая динамики, установленные в ноутбуках, мобильных телефонах, наушниках и вкладышах. [18]

Разделение клеток

Феррожидкости, конъюгированные с антителами или обычными агентами захвата, такими как стрептавидин (SA) или крысиный антимышиный Ig (RAM), используются при иммуномагнитном разделении , подвиде сортировки клеток . [19] Эти конъюгированные феррожидкости используются для связывания с клетками-мишенями, а затем магнитным способом отделяют их от смеси клеток с помощью низкоградиентного магнитного сепаратора. Эти феррожидкости находят применение, среди прочего, в клеточной терапии , генной терапии , производстве клеток .

Аудиовизуализация

С эстетической стороны феррожидкости можно отображать для визуализации звука. Для этого каплю феррожидкости суспендируют в прозрачной жидкости. Электромагнит воздействует на форму феррожидкости в зависимости от громкости или звуковой частоты музыки, позволяя ей избирательно реагировать на высокие или низкие частоты песни. [20] [21]

Бывший

Медицинские приложения

Несколько феррожидкостей были проданы для использования в качестве контрастных веществ в магнитно-резонансной томографии , которые зависят от разницы во времени магнитной релаксации различных тканей, чтобы обеспечить контраст. [22] [23] Несколько агентов были представлены, а затем сняты с рынка, в том числе Феридекс IV (также известный как Эндорем и ферумоксиды), производство которого прекращено в 2008 году; [24] резовист (также известный как Клиавист), 2001–2009 гг.; [25] Синерем (также известный как Комбидекс), снят с производства в 2007 году; [26] Люмирем (также известный как Гастромарк), 1996 [27] по 2012 год; [28] [29] Clariscan (также известный как PEG-fero, Feruglose и NC100150), разработка которого была прекращена из соображений безопасности. [30]

Будущее

Движение космического корабля

Феррожидкости можно заставить самособирать игольчатые острые кончики нанометрового размера под воздействием магнитного поля. Когда они достигают критической толщины, иглы начинают испускать струи, которые в будущем могут быть использованы в качестве двигателя для приведения в движение небольших спутников, таких как CubeSat . [31]

Аналитическое оборудование

Феррожидкости имеют множество оптических применений из-за их преломляющих свойств; то есть каждое зерно, микромагнит , отражает свет. Эти приложения включают измерение удельной вязкости жидкости, помещенной между поляризатором и анализатором , освещаемой гелий-неоновым лазером . [32]

Медицинские приложения

Феррожидкости были предложены для магнитного нацеливания лекарств. В этом процессе лекарства будут прикреплены к феррожидкости или заключены в нее и могут быть нацелены и выборочно высвобождены с помощью магнитных полей. [33]

Также было предложено использовать целевую магнитную гипертермию для преобразования электромагнитной энергии в тепло. [34]

Также было предложено в форме нанохирургии отделить одну ткань от другой — например, опухоль от ткани, в которой она выросла. [22]

Теплопередача

Внешнее магнитное поле, наложенное на феррожидкость с различной восприимчивостью (например, из-за температурного градиента), приводит к возникновению неоднородной магнитной объемной силы, 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 увеличение теплопроводности (k; ~ 300% теплопроводности базовой жидкости). Значительное увеличение k связано с эффективным переносом тепла через пути просачивания наночастиц. Специальные магнитные наножидкости с регулируемым соотношением теплопроводности и вязкости можно использовать в качестве многофункциональных «умных материалов», способных отводить тепло, а также гасить вибрации (демпфер). Такие жидкости могут найти применение в микрофлюидных устройствах и микроэлектромеханических системах ( МЭМС ). [35]

Оптика

Ведутся исследования по созданию изменяющего форму магнитного зеркала с адаптивной оптикой из феррожидкости для наземных астрономических телескопов . [36]

Оптические фильтры используются для отбора различных длин волн света. Замена фильтров трудоемка, особенно когда длина волны изменяется непрерывно с помощью лазеров перестраиваемого типа. Оптические фильтры, настраиваемые на разные длины волн путем изменения магнитного поля, могут быть построены с использованием эмульсии феррожидкости. [37]

Сбор энергии

Феррожидкости позволяют собирать энергию вибрации из окружающей среды. Существующие методы сбора низкочастотных (<100 Гц) вибраций требуют использования твердых резонансных структур. Благодаря феррожидкостям конструкции сборщиков энергии больше не нуждаются в прочной конструкции. Одним из примеров сбора энергии на основе феррожидкости является помещение феррожидкости внутрь контейнера для использования внешних механических вибраций для выработки электричества внутри катушки, обернутой вокруг контейнера, окруженной постоянным магнитом. [38] Сначала феррожидкость помещается в контейнер, обернутый катушкой проволоки. Затем феррожидкость намагничивается снаружи с помощью постоянного магнита. Когда внешние вибрации заставляют феррожидкость растекаться в контейнере, происходит изменение полей магнитного потока по отношению к катушке с проводом. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея , в катушке с проводом индуцируется напряжение из-за изменения магнитного потока. [38]

Смотрите также


Рекомендации

  1. ^ «Продукт феррожидкости». Феррофлюид.com . Проверено 29 октября 2023 г.
  2. ^ Войт, В.; Ким, ДК; Запка, В.; Мухаммед, М.; Рао, К.В. (21 марта 2011 г.). «Магнитное поведение суперпарамагнитных наночастиц оксида железа с покрытием в феррожидкостях». Дело МРС . 676 . дои : 10.1557/PROC-676-Y7.8.
  3. ^ Патент США 3215572. 
  4. ^ Розенсвейг, RE (1997), Феррогидродинамика, Dover Books on Physics, Courier Corporation, ISBN 9780486678344
  5. ^ Шлиомис, Марк И. (2001), «Феррогидродинамика: проверка третьего уравнения намагничивания», Physical Review , 64 (6): 060501, arXiv : cond-mat/0106415 , Bibcode : 2001PhRvE..64f0501S, doi : 10.1103/PhysRevE .64.060501, PMID  11736163, S2CID  37161240
  6. ^ Голвитцер, Кристиан; Крехова, Марина; Латтерманн, Гюнтер; Реберг, Инго; Рихтер, Рейнхард (2009), «Поверхностная нестабильность и магнитно-мягкая материя», Soft Matter , 5 (10): 2093, arXiv : 0811.1526 , Bibcode : 2009SMat....5.2093G, doi : 10.1039/b820090d, S2CID  17537054
  7. ^ Сингх, Чамкор; Дас, Аруп К.; Дас, Прасанта К. (2016), «Эффект релаксации намагниченности, ограничивающий поток и уменьшающий сдвиг, в потоке полости феррожидкости», Physics of Fluids , 28 (8): 087103, Bibcode : 2016PhFl...28h7103S, doi : 10.1063/1.4960085
  8. ↑ Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (18 июля 2019 г.). «Новые законы притяжения: ученые печатают капли магнитной жидкости». физ.орг . Проверено 19 июля 2019 г.
  9. ^ Хельменстин, Энн Мари. «Как сделать жидкие магниты». МысльКо . Архивировано из оригинала 3 февраля 2007 г. Проверено 9 июля 2018 г.
  10. ^ «Список слов». Education.jlab.org . Проверено 9 июля 2018 г.
  11. ^ Андельман и Розенсвейг 2009, стр. 20–21.
  12. ^ Андельман и Розенсвейг 2009, стр. 21, 23, рис. 11.
  13. ^ Андельман и Розенсвейг 2009, стр. 21.
  14. ^ Ми, компакт-диск (1 августа 1950 г.). «Механизм коллоидной агломерации при образовании горьких узоров». Труды Физического общества, раздел А. 63 (8): 922. Бибкод : 1950PPSA...63..922M. дои : 10.1088/0370-1298/63/8/122. ISSN  0370-1298.
  15. ^ Рлумс, Элмарс (1995). «Новые применения процессов тепло- и массообмена в термочувствительных магнитных жидкостях» (PDF) . Бразильский физический журнал . 25 (2).
  16. ^ Мелилло, Луи; Радж, К. (1 марта 1981 г.). «Феррожидкости как средство управления параметрами конструкции низкочастотного динамика». Журнал Общества аудиоинженеров . Общество аудиоинженеров. 29 (3): 132–139.
  17. ^ Фри, Джон (июнь 1979 г.). «Магнитные жидкости». Популярная наука . п. 61.
  18. ^ «Краткая история феррожидкости». Феррожидкостные дисплеи, искусство и скульптуры | Концепция Ноль .
  19. ^ «Феррожидкость - биомагнитные решения» . bioMagneticsolutions.com . Архивировано из оригинала 14 июля 2020 г.
  20. ↑ Лишевский, Эндрю (21 апреля 2021 г.). «Звукореактивный динамик Bluetooth использует магнитную феррожидкость, чтобы стать реальным визуализатором Winamp». Гизмодо .
  21. ^ "Bluetooth-динамик с феррожидкостным дисплеем" . YouTube .
  22. ^ аб Шерер, К.; Фигейредо Нето, AM (2005). «Феролжидкости: свойства и применение» (PDF) . Бразильский физический журнал . 35 (3А): 718–727. Бибкод : 2005BrJPh..35..718S. дои : 10.1590/S0103-97332005000400018 .
  23. ^ Ван, YX (декабрь 2011 г.). «Суперпарамагнитные контрастные вещества для МРТ на основе оксида железа: современный статус клинического применения». Количественная визуализация в медицине и хирургии . 1 (1): 35–40. doi :10.3978/j.issn.2223-4292.2011.08.03. ПМЦ 3496483 . ПМИД  23256052. 
  24. ^ «Феридекс - Продукция - AMAG Pharmaceuticals» . Amagpharma.com. Архивировано из оригинала 15 июня 2012 г. Проверено 20 июня 2012 г.
  25. ^ Софтвейс. «СОВЕТ по магнитному резонансу - База данных МРТ: Резовист». Mr-tip.com . Проверено 20 июня 2012 г.
  26. ^ «AMAG Pharmaceuticals, Inc. объявляет обновленную информацию о Sinerem (TM) в Европе. - Бесплатная онлайн-библиотека» . Thefreelibrary.com. 13 декабря 2007 г. Архивировано из оригинала 23 марта 2019 г. Проверено 20 июня 2012 г.
  27. ^ «Недавно одобренные лекарственные препараты (105) GastroMARK, Advanced Magnetics» . ЦентрВотч. Архивировано из оригинала 29 декабря 2011 г. Проверено 20 июня 2012 г.
  28. ^ «Форма AMAG 10-K за финансовый год, закончившийся 31 декабря 2013 г.» . ТРЦ Эдгар.
  29. ^ «NDA 020410 для GastroMark» . FDA . Проверено 12 февраля 2017 г.
  30. ^ Ван, И-Сян Дж. (2011). «Суперпарамагнитные контрастные вещества для МРТ на основе оксида железа: современный статус клинического применения». Количественная визуализация в медицине и хирургии . 1 (1): 35–40. doi :10.3978/j.issn.2223-4292.2011.08.03. ПМЦ 3496483 . ПМИД  23256052. 
  31. ^ Раваль, Сиддхарт (17 октября 2013 г.). «Разрабатываются новые двигатели для наноспутников». Журнал «Космическая безопасность» . Проверено 9 июля 2018 г.
  32. ^ Пай, Чинтамани; Шалини, М; Радха, С. (2014). «Переходный оптический феномен в феррожидкостях». Процедия Инжиниринг . 76 : 74–79. дои : 10.1016/j.proeng.2013.09.250 .
  33. ^ Кумар, CS; Мохаммад, Ф (14 августа 2011 г.). «Магнитные наноматериалы для гипертермической терапии и контролируемой доставки лекарств». Обзоры расширенной доставки лекарств . 63 (9): 789–808. doi :10.1016/j.addr.2011.03.008. ПМК 3138885 . ПМИД  21447363. 
  34. ^ Кафруни, Л; Савадого, О (декабрь 2016 г.). «Последние достижения в области магнитных наночастиц для магнитной гипертермии». Прогресс в области биоматериалов . 5 (3–4): 147–160. дои : 10.1007/s40204-016-0054-6. ПМК 5304434 . ПМИД  27995583. 
  35. ^ Шима, PD; Филип, Джон (2011). «Настройка теплопроводности и реологии наножидкостей с использованием внешнего стимула». Журнал физической химии C. 115 (41): 20097. doi :10.1021/jp204827q.
  36. ↑ Хехт, Джефф (7 ноября 2008 г.). «Морфирующее зеркало может очистить небо для астрономов». Новый учёный.
  37. ^ Филип, Джон; Джайкумар, Т; Кальянасундарам, П; Радж, Балдев (2003). «Перестраиваемый оптический фильтр». Измерительная наука и технология . 14 (8): 1289. Бибкод : 2003MeScT..14.1289P. дои : 10.1088/0957-0233/14/8/314. S2CID  250923543.
  38. ^ аб Бибо, А.; Масана, Р.; Кинг, А.; Ли, Г.; Дакак, МФ (июнь 2012 г.). «Электромагнитный сборщик энергии на основе феррожидкости». Буквы по физике А. 376 (32): 2163–2166. Бибкод : 2012PhLA..376.2163B. doi :10.1016/j.physleta.2012.05.033.

Библиография

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме феррожидкостей.