Феррожидкость - Ferrofluid

Феррожидкость на стекле с магнитом под ним
Стив Папелл изобрел феррожидкость для НАСА в 1963 году.

Феррожидкость - это жидкость, притягиваемая к полюсам магнита . Это коллоидная жидкость, состоящая из наноразмерных ферромагнитных или ферримагнитных частиц, взвешенных в жидкости- носителе (обычно в органическом растворителе или воде). Каждая магнитная частица тщательно покрыта поверхностно-активным веществом для предотвращения комкования. Крупные ферромагнитные частицы могут вырываться из однородной коллоидной смеси, образуя отдельный комок магнитной пыли при воздействии сильных магнитных полей. Магнитное притяжение крошечных наночастиц достаточно мало, чтобы сила Ван-дер-Ваальса поверхностно-активного вещества была достаточной для предотвращения магнитного комкования или агломерации . Феррожидкости обычно не сохраняют намагниченность в отсутствие внешнего приложенного поля и поэтому часто классифицируются как «суперпарамагнетики», а не как ферромагнетики.

В отличие от феррожидкостей, магнитореологические жидкости ( жидкости MR) представляют собой магнитные жидкости с более крупными частицами. То есть феррожидкость содержит в основном наночастицы, а жидкость MR содержит в основном частицы микрометрового размера. Частицы в феррожидкости взвешиваются в результате броуновского движения и, как правило, не оседают при нормальных условиях, в то время как частицы в МР-жидкости слишком тяжелы, чтобы быть взвешенными в результате броуновского движения. Следовательно, частицы в жидкости MR будут оседать со временем из-за внутренней разницы в плотности между частицами и их жидкостью-носителем. В результате феррожидкости и жидкости MR 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 направить в топливный насос в невесомой среде путем приложения магнитного поля. Было введено название феррожидкость, усовершенствован процесс, синтезированы более высокомагнитные жидкости, обнаружены дополнительные жидкости-носители, а физическая химия разъяснена Р. Э. Розенсвейгом и его коллегами. Вдобавок Розенсвейг развил новую ветвь механики жидкости, названную феррогидродинамикой, которая дала толчок дальнейшим теоретическим исследованиям интригующих физических явлений в феррожидкостях. В 2019 году исследователям из Массачусетского университета и Пекинского химико-технологического университета удалось создать постоянную магнитную феррожидкость, которая сохраняет свой магнетизм при удалении внешнего магнитного поля. Исследователи также обнаружили, что магнитные свойства капли сохраняются, даже если форма была физически изменена или она была разделена.

Описание

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

Феррожидкости состоят из очень маленьких наноразмерных частиц (диаметр обычно 10 нанометров или меньше) магнетита , гематита или другого соединения, содержащего железо , и жидкости (обычно масла ). Этого достаточно, чтобы тепловое перемешивание могло равномерно распределить их в жидкости-носителе и внести свой вклад в общий магнитный отклик жидкости. Это похоже на то, как ионы в водном растворе парамагнитной соли (таком как водный раствор сульфата меди (II) или хлорида марганца (II) ) делают раствор парамагнитным. Состав типичной феррожидкости составляет около 5% магнитных твердых частиц, 10% поверхностно-активного вещества и 85% носителя по объему.

Частицы в феррожидкости диспергированы 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 данном случае двумя состояниями вещества являются твердый металл и жидкость, в которых оно находится. Эта способность изменять фазы с помощью магнитного поля позволяет использовать их в качестве уплотнений , смазок и может открыть новые области применения в будущей наноэлектромеханике. системы .

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 со временем (несколько лет), и в конечном итоге наночастицы будут агломерироваться, и они будут отделяться и больше не будут влиять на магнитный отклик жидкости.

Термин магнитореологическая жидкость (MRF) относится к жидкостям, подобным феррожидкости (FF), которые затвердевают в присутствии магнитного поля. Магнитореологические жидкости имеют 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 .

Неустойчивость нормального поля

Феррожидкость - это маслянистое вещество, собирающееся на полюсах магнита, который находится под белой тарелкой.

Когда парамагнитная жидкость подвергается воздействию сильного вертикального магнитного поля , поверхность образует регулярный узор из пиков и впадин. Этот эффект известен как неустойчивость Розенцвейга или нормального поля . Неустойчивость вызвана магнитным полем; это можно объяснить, если учесть, какая форма жидкости сводит к минимуму общую энергию системы.

С точки зрения магнитной энергии пики и спады энергетически выгодны. В гофрированной конфигурации магнитное поле сосредоточено в пиках; поскольку жидкость намагничивается легче, чем воздух, это снижает магнитную энергию. Как следствие, всплески жидкости перемещаются по силовым линиям в космос, пока не наступит баланс задействованных сил.

В то же время образованию пиков и впадин препятствуют сила тяжести и поверхностное натяжение . Энергия требуется как для перемещения жидкости из впадин и вверх в шипы, так и для увеличения площади поверхности жидкости. Таким образом, образование гофр увеличивает свободную поверхностную энергию и гравитационную энергию жидкости, но снижает магнитную энергию. Гофры будут формироваться только выше критической напряженности магнитного поля , когда уменьшение магнитной энергии перевешивает увеличение с точки зрения поверхности и энергии гравитации.

Моделирование феррожидкости для различных параметров поверхностного натяжения и напряженности магнитного поля

Феррожидкости обладают исключительно высокой магнитной восприимчивостью, и критическое магнитное поле для появления гофр может быть реализовано с помощью небольшого стержневого магнита.

Macrophotograph из феррожидкости под влиянием магнита.

Общие феррожидкостные поверхностно-активные вещества

Мыльные поверхностно-активные вещества, используемые для покрытия наночастиц, включают, но не ограничиваются:

Эти поверхностно-активные вещества предотвращают слипание наночастиц вместе, поэтому частицы не могут выпадать из суспензии или слипаться 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, в то время как неполярный хвост (или полярная головка) торчит в среду-носитель, образуя обратную или правильную мицеллу , соответственно вокруг частицы. Таким образом, электростатическое отталкивание предотвращает агломерацию частиц.

Хотя поверхностно-активные вещества полезны для увеличения скорости осаждения в феррожидкостях, они также ухудшают магнитные свойства жидкости (в частности, магнитное насыщение 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 «более мягкой» активированной жидкости. В то время как вязкость в открытом состоянии («твердость» активированной жидкости) не так важна для некоторых применений феррожидкости, это основное свойство жидкости для большинства их 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

Действительный

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 ее притяжения к магниту. Жидкость магнитных частиц образует барьер, предотвращающий попадание мусора внутрь жесткого диска. По словам инженеров Ferrotec, уплотнения из ферромагнитной жидкости на вращающихся валах обычно выдерживают давление от 3 до 4 фунтов на квадратный дюйм; дополнительные уплотнения могут быть уложены друг на друга, образуя узлы, способные выдерживать более высокие давления.

Машиностроение

Феррожидкости обладают способностью уменьшать трение . При нанесении на поверхность достаточно сильного магнита, такого как неодимовый , он может заставить магнит скользить по гладкой поверхности с минимальным сопротивлением.

Феррожидкости также могут использоваться в полуактивных амортизаторах в механических и аэрокосмических приложениях. В то время как пассивные амортизаторы обычно более громоздкие и рассчитаны на конкретный источник вибрации, активные амортизаторы потребляют больше энергии. Амортизаторы на основе феррожидкости решают обе эти проблемы и становятся популярными в вертолетном сообществе, которому приходится иметь дело с большими инерционными и аэродинамическими колебаниями.

Материаловедческие исследования

Феррожидкости могут быть использованы для изображения структур магнитных доменов на поверхности ферромагнитных материалов с использованием техники, разработанной Фрэнсисом Биттером .

Колонки

Начиная с 1973 года, в громкоговорителях использовались феррожидкости для отвода тепла от звуковой катушки и пассивного демпфирования движения диффузора. Они находятся в воздушном зазоре вокруг звуковой катушки, удерживаемом 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 выделяет тепло), будет притягивать холодную феррожидкость больше, чем горячую, тем самым оттягивая нагретую феррожидкость от электрической звуковой катушки к радиатору . Это относительно эффективный метод охлаждения, не требующий дополнительных затрат энергии.

Боб Берковиц из Acoustic Research начал изучать феррожидкость в 1972 году, используя ее для гашения резонанса твитера. Дана Хэтэуэй из Epicure в Массачусетсе в 1974 году использовала феррожидкость для демпфирования твитера, и он заметил механизм охлаждения. Фред Беккер и Лу Мелилло из Becker Electronics также были первыми последователями в 1976 году, когда Мелилло присоединился к Ferrotec и опубликовал статью в 1980 году. В области концертного звука Showco начала использовать феррожидкость в 1979 году для охлаждения вуферов. Panasonic был первым азиатским производителем, который применил феррожидкость в коммерческих громкоговорителях в 1979 году. В начале 1980-х эта область быстро росла. Сегодня около 300 миллионов звукопоглощающих преобразователей в год производятся с феррожидкостью внутри, включая динамики, установленные в ноутбуках, сотовых телефонах, наушниках и вкладышах.

Разделение клеток

Феррожидкости, конъюгированные с антителами или обычными захватывающими агентами, такими как стрептавидин (SA) или крысиный антимышиный Ig (RAM), используются в иммуномагнитном разделении , подмножестве сортировки клеток . Эти конъюгированные феррожидкости используются для связывания с клетками-мишенями, а затем для отделения их от смеси клеток с помощью магнитного сепаратора с низким градиентом. Эти феррожидкости используются в таких областях, как клеточная терапия , генная терапия , производство клеток и другие.

Бывший

Медицинские приложения

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. Несколько агентов были введены, а затем сняты с рынка, в том числе Feridex IV (также известный как Endorem и ферумоксиды), производство которого прекращено в 2008 году; резовист (также известный как Cliavist) с 2001 по 2009 год; Sinerem (также известный как Combidex), снятый с продажи в 2007 году; Lumirem (также известный как Gastromark) с 1996 по 2012 год; Кларискан (также известный как ПЭГ-феро, Ферулоза и NC100150), разработка которого была прекращена из соображений безопасности.

Будущее

Движение космического корабля

Феррожидкости могут быть сделаны так, чтобы под действием магнитного поля самостоятельно собирать острые игольчатые наконечники нанометрового размера. Когда они достигают критической толщины, иглы начинают испускать струи, которые могут быть использованы в будущем в качестве движителя для движения небольших спутников, таких как CubeSats .

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 .

Медицинские приложения

Для магнитного нацеливания лекарств были предложены феррожидкости. В этом процессе лекарства будут прикреплены к феррожидкости или заключены в нее, и их можно будет направлять и избирательно высвобождать с помощью магнитных полей.

Также было предложено для направленной магнитной гипертермии преобразовывать электромагнитную энергию в тепло.

Также было предложено в форме нанохирургии отделить одну ткань от другой - например, опухоль от ткани, в которой она выросла.

Теплопередача

Внешнее магнитное поле, наложенное на феррожидкость с различной восприимчивостью (например, из-за градиента температуры), приводит к неоднородной магнитной силе тела, которая приводит к форме теплопередачи, называемой термомагнитной конвекцией . Эта форма теплопередачи может быть полезна, когда обычная конвекционная теплопередача неадекватна; например, в миниатюрных микромасштабных устройствах или в условиях пониженной гравитации .

Феррожидкости подходящего состава могут демонстрировать чрезвычайно большое увеличение теплопроводности (k; ~ 300% теплопроводности базовой жидкости). Большое увеличение k связано с эффективным переносом тепла через просачивающиеся пути наночастиц. Специальные магнитные наножидкости с регулируемым отношением теплопроводности к вязкости могут использоваться в качестве многофункциональных «умных материалов», которые могут отводить тепло, а также задерживать вибрации (демпфер). Такие жидкости могут найти применение в микрофлюидных устройствах и микроэлектромеханических системах ( MEMS ).

Оптика

В настоящее время ведутся исследования по созданию изменяющего форму магнитного зеркала с адаптивной оптикой из феррожидкости для наземных астрономических телескопов .

Оптические фильтры используются для выбора различных длин волн света. Замена фильтров обременительна, особенно когда длина волны изменяется непрерывно с помощью лазеров перестраиваемого типа. Оптические фильтры, настраиваемые на разные длины волн за счет изменения магнитного поля, могут быть созданы с использованием феррожидкостной эмульсии.

Сбор энергии

Феррожидкости предоставляют интересную возможность собирать энергию вибрации из окружающей среды. Существующие методы улавливания низкочастотных (<100 Гц) колебаний требуют использования твердых резонансных структур. С феррожидкостями конструкции энергохарвестеров больше не нуждаются в прочной конструкции. Одним из простых примеров сбора энергии на основе феррожидкости является размещение феррожидкости внутри контейнера для использования внешних механических колебаний для выработки электричества внутри катушки, обернутой вокруг контейнера, окруженного постоянным магнитом. Сначала феррожидкость помещается в контейнер, обернутый катушкой с проволокой. Затем феррожидкость намагничивается извне с помощью постоянного магнита. Когда внешние вибрации вызывают разбрызгивание феррожидкости в контейнере, происходит изменение полей магнитного потока по отношению к катушке с проводом. Через законом Фарадея электромагнитной индукции , напряжение наводится в катушке проволоки за счет изменения магнитного потока.

Смотрите также

использованная литература

Библиография

  • Анделман, Дэвид; Розенсвейг, Рональд Э. (2009). «Феноменология модулированных фаз: от магнитных тел и жидкостей до органических пленок и полимеров». В Цори, Йоав; Штайнер, Ульрих (ред.). Полимеры, жидкости и коллоиды в электрических полях: межфазные нестабильности, ориентация и фазовые переходы . Полимеры . С. 1–56. Bibcode : 2009plce.book ..... T . DOI : 10,1142 / 7266 . ISBN 978-981-4271-68-4.
  • Бергер, Патрисия; Николас Б. Адельман; Кэти Дж. Бекман; Дин Дж. Кэмпбелл; Эллис, Артур Б .; Лисенский, Джордж К. (1999). «Приготовление и свойства водной феррожидкости». Журнал химического образования . 76 (7): 943–948. Bibcode : 1999JChEd..76..943B . DOI : 10.1021 / ed076p943 . ISSN  0021-9584 .

внешние ссылки