Кіріспе

Магниттің полюстеріне тартылатын сұйықтықтың ерекше түрі Ферросымал - магниттің полюстеріне тартылатын сұйықтық. Ол тасымалдаушы сұйықтықта (әдетте органикалық еріткіш немесе су) суспендияланған наношарықты ферромагниттік немесе ферромагниттік бөлшектерден жасалған коллоидты сұйықтық. Әрбір магниттік бөлшекті топтасуды тежеу үшін беткі белсенді затпен жақсылап қапталады. Үлкен ферромагниттік бөлшектер біртекті коллоидты қоспадан бөлініп, күшті магнит өрістеріне ұшыраған кезде магниттік шаңның жеке үйірмесін құрайды. Ұсақ нанобөлшектердің магниттік тартылуы өте әлсіз, сондықтан беткі белсенді заттың Ван-дер-Ваальс күші магниттік үйісуді немесе агломерацияны болдырмауға жеткілікті. Ферротірістер әдетте сыртқы қолданылған өріс болмаған жағдайда магниттеуді сақтай алмайды және сондықтан көбінесе ферромагниттер емес, "суперпарамагниттер" ретінде жіктеледі. Ферротірілдерге қарағанда, магнитореологиялық сұйықтықтар (МР сұйықтықтар) - ірі бөлшектері бар магниттік сұйықтықтар. Яғни, ферросутекте негізінен нанобөлшектер бар, ал МР сұйықтықта негізінен микрометрлік бөлшектер бар. Ферросутектегі бөлшектер Браун қозғалысы арқылы тоқтатылады және әдетте қалыпты жағдайда тұнбайды, ал МР сұйықтықтағы бөлшектер Браун қозғалысы арқылы тоқтатылуға тым ауыр. МР сұйықтықтағы бөлшектер уақыт өте келе, бөлшектер мен олардың тасымалдаушы сұйықтығы арасындағы тығыздық айырмашылығының арқасында орналасады. Нәтижесінде ферросутектер мен МР сұйықтықтардың қолдануы өте әртүрлі. 1963 жылы NASA-ның Стив Папелллмен бірге сутекті зат жасау процесі ойлап табылды. Бұл зат сұйық ракеталық отынды құрауға арналған. Ферросутек атауы енгізілді, процесс жақсарды, магниттік сұйықтықтар синтезделді, қосымша тасымалдаушы сұйықтықтар ашылды және физикалық химияны Р. Сонымен қатар Розенсвейг ферросутектердегі қызықты физикалық құбылыстар бойынша теориялық зерттеулерді жандандырған феррогидродинамика деп аталатын сұйықтық механикасының жаңа саласын дамытты. 2019 жылы Массачусетс университеті мен Пекин химиялық технология университетінің зерттеушілері сыртқы магнит өрісі алынып тасталғанда өз магниттілігін сақтайтын тұрақты магнитті ферросутекті жасауға қол жеткізді. Зерттеушілер сондай-ақ, тамшылардың магниттік қасиеттері, тіпті олардың пішіні өзгерсе немесе бөлінсе де, сақталатынын анықтады.

Сипаттама

Ферротірісулер өте кішкентай наноөлшемді бөлшектерден (әдетте диаметрі 10 нанометр немесе одан кем) магнит, гематит немесе темір қосылған басқа қосылыстардан және сұйықтықтан (әдетте майдан) тұрады. Бұл оларды жылулық қозғалыс арқылы тасымалдаушы сұйықтықта тегіс таратуға және сұйықтықтың жалпы магниттік сезімталдығына үлес қосуға жеткілікті етеді. Бұл, парамагниттік тұздың сулы ерітіндісіндегі (мысалы, мыс(II) сульфаты немесе марганец(II) хлоридінің сулы ерітіндісі) иондардың ерітіндіні парамагниттік етуіне ұқсас. Типтік ферротірісудің құрамы шамамен 5% магниттік қатты заттар, 10% беттік белсенді зат және 85% тасымалдаушы затты құрайды (көлем бойынша). Ферротірісулердегі бөлшектер сұйықтықта таратылады, көбінесе беттік белсенді затты пайдаланады, сондықтан ферротірісулер – бірнеше агрегаттық күйлердің қасиеттерін біріктіретін коллоидты суспензиялар. Бұл жағдайда, материяның екі күйі – қатты металл және ол еріген сұйықтық. Магниттік өріс қолдану арқылы күйін өзгерту қабілеті оларды тығыздаушылар, майлау материалдары ретінде пайдалануға мүмкіндік береді және болашақ наноэлектромеханикалық жүйелерде жаңа қолданыстарға жол ашуы мүмкін. Нағыз ферротірісулер тұрақты болады. Бұл қатты бөлшектердің тіпті өте күшті магниттік өрістерде де бірігіп немесе бөлініп шықпайтынын білдіреді. Дегенмен, беттік белсенді зат уақыт өте келе (бірнеше жыл) ыдырайды, содан кейін нанобөлшектер бірігіп, бөлініп шығып, сұйықтықтың магниттік сезімталдығына енді үлес қоспайды. Магнитореологиялық сұйықтық (MRF) термині магниттік өріс әсерінен қатаятын ферротірісулерге (FF) ұқсас сұйықтықтарды білдіреді. Магнитореологиялық сұйықтықтардың бөлшектері ферротірісулердегіден бірден үш есеге дейін үлкен микрометрлік магниттік бөлшектерден тұрады. Алайда, ферротірісулер жеткілікті жоғары температурада (Кюри температурасы деп аталады) магниттік қасиеттерін жоғалтады.

Қалыпты өрістің тұрақсыздығы

Парамагниттік сұйықтық күшті тік магнит өрісіне ұшыраса, бетінде реттелген шыңдар мен ойыстардан тұратын өрнек пайда болады. Бұл құбылыс Розенсвейг немесе қалыпты магнит өрісінің тұрақсыздығы деп аталады. Тұрақсыздық магнит өрісімен туындайды; оны сұйықтың қай пішіні жүйенің жалпы энергиясын ең төменге түсіретінін қарастыру арқылы түсіндіруге болады. Магниттік энергия тұрғысынан қарағанда, шыңдар мен ойыстар энергиялық тұрғыдан тиімді. Толқынды конфигурацияда магнит өрісі шыңдарда жинақталады; сұйықтық ауадан оңай магниттеледі, бұл магниттік энергияны төмендетеді. Осының салдарынан сұйықтың тік өскіндері әсер ететін күштердің тепе-теңдігіне жеткенше кеңістікке қарай созылады. Сонымен қатар, шыңдар мен ойыстардың пайда болуына гравитация және беттік кернеу кедергі келтіреді. Сұйықтықты ойыстардан шығарып, тік өскіндерге көтеруге, сондай-ақ сұйықтықтың беттік ауданын арттыруға энергия қажет. Қорыта айтқанда, толқындардың пайда болуы сұйықтың беткі еркін энергиясын және гравитациялық энергиясын арттырады, бірақ магниттік энергияны азайтады. Тоқалданған жерлер тек қана магнит өрісінің белгілі бір шекті күшінен жоғарыда пайда болады, егер магниттік энергияның азаюы беттік және гравитациялық энергияның артуынан асып түседі. Ферротірістіктердің магниттік қабылдағыштығы өте жоғары, ал тоқалданған жерлердің пайда болуы үшін қажетті магнит өрісін кішкентай магнит тақтасымен жасауға болады.

Электрондық құрылғылар

Ферротірісулер қатты дискілердегі айналатын жетек біліктерінің айналасында сұйық тығыздамалар жасау үшін қолданылады. Айналатын білік магниттермен қоршалған. Магнит пен білік арасындағы кеңістікте орналастырылған шағын мөлшердегі ферротірісу, магнитке тартылу арқылы өз орнында ұсталады. Магниттік бөлшектерден тұратын сұйықтық, қатты дискінің ішіне қоқымның енуін болдырмайтын кедергі құрайды. Ferrotec инженерлерінің мәлімдемесіне сәйкес, айналатын біліктердегі ферротірісу тығыздамалары әдетте 3-4 пси қысымға төтеп береді; одан да жоғары қысымға төтеп бере алатын жиынтықтарды жасау үшін қосымша тығыздамаларды қабаттап орнатуға болады.

Машина жасау

Ферросуйықтықтардың үйкелісті азайту қабілеті бар. Егер олар неодимнен жасалған, жеткілікті күшті магниттің бетіне жағылса, магнит тегіс беттерде минимал кедергімен сығуға мүмкіндік береді. Ферросуйықтықтарды механикалық және аэроғарыштық салаларда жартылай белсенді амортизаторларда да қолдануға болады. Пассивті амортизаторлар көбінесе көлемді болады және нақты бір діріл көзіне арналған, ал белсенді амортизаторлар көп қуатты тұтынады. Ферросуйықтық негізіндегі амортизаторлар бұл екі мәселені де шешеді және үлкен инерциялық және аэродинамикалық дірілдермен күресуге мәжбүр болатын тікұшақ саласында кеңінен танымал болып келеді.

Материалдық ғылым зерттеулері

Ферросуйықтықтар Фрэнсис Биттер әзірлеген әдіс арқылы ферромагниттік материалдардың бетіндегі магниттік домендердің құрылымын суретке түсіруге қолданылуы мүмкін.

Дауыс берушілер

1973 жылдан бастап, дауыс катушкасынан жылуды алып тастау және конустың қозғалысын пассивті түрде басу үшін динамиктерде ферросутектер қолданылды. Олар үнділік катушканың айналасындағы ауа аралығында орналасқан, оны динамиктің магниті ұстап тұрады. Ферротілшіндер парамагнитті болғандықтан, олар Кюри заңына бағынады және жоғары температурада магниттілігі төмендейді. Дауыстық катушканың жанында (жылуды өндіретін) орналастырылған күшті магнит ыстық ферросутекке қарағанда суық ферросутекті көбірек тартады, осылайша қыздырылған ферросутекті электрлік дауыс катушкасынан және жылу өткізгішке қарай итеріп жібереді. Бұл салыстырмалы түрде тиімді салқындату әдісі, ол қосымша энергияны қажет етпейді. Акустикалық зерттеулер Bob Berkowitz 1972 жылы ферросутекті зерттей бастады, оны твитердің резонансын байыту үшін қолданады. 1974 жылы Массачусетс штатындағы Эпикюр компаниясының қызметкері Дана Хатауэй твитердің тоңазытуын басу үшін ферросутекті қолданған кезде, ол салқындату механизмін байқады. Фред Бекер және Лу Мелильо Бекер Электроникасының 1976 жылы ерте қабылдауы болды, Мелильо Феррофлюидикаға қосылды және 1980 жылы газет жариялады. Концерт үнінде Showco 1979 жылы воферлерді салқындату үшін феррофлюидті қолдана бастады. Panasonic 1979 жылы коммерциялық дыбыс берушілерге ферросутекті енгізген алғашқы азиялық өндіруші болды. Бұл сала 1980 жылдардың басында тез өсті. Бүгінде жыл сайын 300 миллионға жуық дыбыс шығаратын трансформаторлар ферросутекті құрамында, соның ішінде ноутбуктерде, ұялы телефондарда, құлаққаптарда және құлаққаптарда орнатылған динамиктер шығарылады.

Ұяшықтарды бөлу

Антиденелермен немесе Стрептавидин (SA) немесе егеуқұйрық анти-ешкі Ig (RAM) сияқты жалпы ұстаушы агенттермен байланыстырылған ферросұйықтықтар иммуномагниттік бөлуде қолданылады, бұл жасушаларды сұрыптаудың бір түрі. Бұл байланыстырылған ферросұйықтықтар мақсатты жасушаларға байланысу үшін пайдаланылады, содан кейін олар төмен градиентті магниттік сепараторды қолдана отырып, жасуша қоспасынан магниттік жолмен бөлінеді. Бұл ферросұйықтықтар жасушалық терапия, гендік терапия, жасушалық өндіріс және тағы да басқа салаларда қолданылады.

Аудио-визуалдық

Эстетикалық тұрғыдан алғанда, ферросуйықтықтар дыбысты визуализациялау үшін қолданылуы мүмкін. Ол үшін ферросуйықтық мөлдір сұйықтықта ілулі тұрады. Электромагнит музыканың дыбыс деңгейіне немесе аудио жиілігіне байланысты ферросуйықтықтың пішінін өзгертеді, осы арқылы әннің жоғары немесе төмен жиілікті дыбыстарын бөлектеп көрсетуге мүмкіндік береді.

Темірден жасалған шиналар

Магниттік оптикалық құрылғы және магниттік өріс ағынын көрсететін динамикалық линзаны екі оптикалық тегіс шынының арасына қапталған және герметикалық жабынған суперпарамагниттік жұқа пленканы пайдалану арқылы жасауға болады. Жұқа пленка бірнеше микрон қалыңдығындағы, жоғары деңгейде сұйылтылған, дерлік мөлдір ферроfluidтен тұрады. Ферролинзаның периметріне оны жарықтандыратын LED сақиналар тізбегі орналасқан. Сыртқы магниттік өріс жұқа пленка бетіне түсірілгенде, ол Фарадейдің классикалық темір ұнтағы экспериментіне ұқсас 2D магниттік ағын өрнегін тудырады. Бұл өрнек ферролинза құрылғысымен көрсетілетін сыртқы өрістің тереңдік аймағы туралы ақпаратты қамтиды, пленканың қалыңдығы бірнеше микронды (яғни 10-ден 20 мкм-ға дейін) құрайтындығына қарамастан.

Медициналық қолдану

Магниттік-резонанстық бейнелеуде контраст агенттері ретінде қолдану үшін бірнеше ферросұйықтықтар сатылды, олар контраст жасау үшін әртүрлі тіндердің магниттік релаксация уақытының айырмашылығына негізделген. Бірнеше препараттар енгізіліп, кейіннен нарықтан алынып тасталды, соның ішінде 2008 жылы өндірілісі тоқтатылған Feridex I. V. (Endorem және ferumoxides деп те аталады); resovist (Cliavist деп те аталады), 2001-2009 жылдары; Sinerem (Combidex деп те аталады), 2007 жылы нарықтан алынды; Lumirem (Gastromark деп те аталады), 1996-2012 жылдары; Clariscan (PEG fero, Feruglose және NC100150 деп те аталады), қауіпсіздік мәселелеріне байланысты әзірлеуі тоқтатылды.

Ғарыш кемелерін қозғалтқыш

Ферросуйықтықтарды магнит өрісінің әсерімен нанометрлік деңгейде ине тәрізді өткір ұштарды өздігінен құрастыруға болады. Олар белгілі бір деңгейде жұқа болғанда, инелерден сәулелер шыға бастайды, оларды болашақта CubeSats сияқты кішкентай спутниктерді жылжытуға арналған итергіш механизм ретінде қолдануға болады.

Талдау аспаптары

Ферротірістіктер жарық сыну қасиеттерінің арқасында көптеген оптикалық қолданыстарға ие; яғни, әрбір түйіршік – микромагнит – жарықты шағылыстырады. Бұл қолданыстар поляризатор мен анализатор арасына орналасқан және гелий-неон лазерімен жарықтандырылған сұйықтың нақты тұтқырлығын өлшеуді қамтиды.

Медициналық қолдану

Магниттік дәрілерді нысанаға бағыттау үшін ферросығымдықтар ұсынылған. Осы процесте дәрілер ферросығымдыққа бекітіліп немесе оның ішіне қамалып, магниттік өрістерді пайдалану арқылы нысаналы түрде және таңдамалы босатылуы мүмкін. Сонымен қатар, электромагниттік энергияны жылуға түрлендіру үшін бағытталған магниттік гипертермияға қолдану ұсынылған. Бұдан өзге, бір тінді екіншісінен – мысалы, ісікті өскен тінінен – бөліп алу үшін нанохирургияның бір түрі де ұсынылған.

Жылу беру

Ферроұйыққа сыртқы магнит өрісінің әсер етуі, әртүрлі магниттік қабылдағыштыққа ие болғанда (мысалы, температура градиенті салдарынан), біркелкі емес магниттік дене күшін тудырады, бұл термомагниттік конвекция деп аталатын жылу алмасу түріне алып келеді. Бұл жылу алмасу түрі дәстүрлі конвекциялық жылу алмасу жеткіліксіз болған жағдайларда пайдалы болуы мүмкін; мысалы, кішкентай микродеңгейлі құрылғыларда немесе төмендетілген гравитациялық жағдайларда. Тиісті құрамы бар ферроұйықтар жылу өткізгіштігінде айтарлықтай жоғарылауға ие болуы мүмкін (k; базалық сұйықтықтың жылу өткізгіштігінің ~300% дейін). k-ның күрт өсуі нанобөлшектер арқылы жылуды тиімді тасымалдаудың нәтижесі болып табылады. Жылу өткізгіштігі мен тұтқырлық арақатынасын реттеуге болатын арнайы магниттік наноұйықтарды көп функциялы "ақылды материалдар" ретінде қолдануға болады, олар жылуды кетіруге және дірілдерді тоқтатуға (демпфер) қабілетті. Мұндай сұйықтықтар микросұйықтық құрылғыларында және микроэлектромеханикалық жүйелерде (МЭЖ) қолданылуы мүмкін.

Оптика

Жердегі астрономиялық телескоптар үшін ферросуйықтықтан жасалған, формасын өзгерте алатын адаптивті оптикалық магниттік айна құру бойынша зерттеулер жүргізілуде. Жарықтың әртүрлі толқын ұзындықтарын іріктеу үшін оптикалық сүзгілер қолданылады. Сүзгілерді ауыстыру қиынға соғады, әсіресе толқын ұзындығын реттелетін лазерлермен үздіксіз өзгертетін кезде. Ферросуйықтық эмульсияны пайдалану арқылы магниттік өрісті өзгерту арқылы әртүрлі толқын ұзындықтарына реттелетін оптикалық сүзгілерді жасау мүмкін.

Энергияны жинау

Ферросұйықтықтар қоршаған ортадан діріл энергиясын жинауға мүмкіндік береді. Қазіргі кезде қолданылып жүрген, төмен жиілікті (<100 Гц) дірілдерді жинау әдістері қатты резонанстық құрылымдарды пайдалануды қажет етеді. Ферросұйықтықтардың арқасында энергия жинағыш құрылғыларға енді қатты құрылым қажет емес. Ферросұйықтықтарға негізделген энергия жинаудың бір мысалы – ферросұйықтықты контейнердің ішіне орналастырып, сыртқы механикалық дірілдерді пайдалану арқылы тұрақты магнитпен қоршалған контейнерге оралған катушканың ішінде электр энергиясын өндіру. Бірінші кезекте, ферросұйықтық сыммен оралған контейнерге салынады. Содан кейін ферросұйықтық тұрақты магнит арқылы сыртқы магниттеледі. Сыртқы дірілдер ферросұйықтықтың контейнерде қозғалуына себеп болғанда, сым катушкасына қатысты магниттік ағым өрісінде өзгеріс болады. Фарадейдің электромагниттік индукция заңына сәйкес, магниттік ағымның өзгеруіне байланысты сымда кернеу туындайды.