Введение
Специальный тип жидкости, притягивающийся к полюсам магнита. 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). Каждая магнитная частица тщательно покрыта поверхностно-активным веществом для предотвращения слипания. Крупные ферромагнитные частицы могут вырываться из однородной коллоидной смеси, образуя отдельный сгусток магнитной пыли при воздействии сильных магнитных полей. Магнитное притяжение крошечных наночастиц достаточно слабо, чтобы силы Ван-дер-Ваальса, создаваемые поверхностно-активным веществом, были достаточны для предотвращения магнитного сгущения или агломерации. Феррожидкости обычно не сохраняют намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля и поэтому часто классифицируются как "суперпарамагнетики", а не как ферромагнетики. В отличие от феррожидкостей, магнитореологические жидкости (МР-жидкости) представляют собой магнитные жидкости с более крупными частицами. То есть, феррожидкость содержит преимущественно наночастицы, а МР-жидкость – преимущественно частицы микрометрового масштаба. Частицы в феррожидкости удерживаются во взвешенном состоянии броуновским движением и обычно не оседают в нормальных условиях, в то время как частицы в МР-жидкости слишком тяжелы для поддержания во взвешенном состоянии броуновским движением. Следовательно, частицы в МР-жидкости со временем оседают из-за естественной разницы в плотности между частицами и жидкостью-носителем. В результате феррожидкости и МР-жидкости имеют совершенно разные области применения. В 1963 году Стив Папелл из NASA разработал процесс создания феррожидкости для получения жидкого ракетного топлива, которое можно было бы притягивать к топливному насосу в невесомости с помощью магнитного поля. Название "феррожидкость" было введено, процесс был усовершенствован, синтезированы более высокомагнитные жидкости, обнаружены дополнительные жидкости-носители, а физическая химия была изучена Р. Э. Розенцвейгом и его коллегами. Кроме того, Розенцвейг разработал новое направление в гидродинамике, названное феррогидродинамикой, что стимулировало дальнейшие теоретические исследования интересных физических явлений в феррожидкостях. В 2019 году исследователям из Массачусетского университета и Пекинского университета химических технологий удалось создать постоянно намагниченную феррожидкость, сохраняющую свой магнетизм после снятия внешнего магнитного поля. Исследователи также обнаружили, что магнитные свойства капли сохраняются даже при изменении ее формы или разделении.
Ferrofluid is a liquid that is attracted to the poles of a magnet. It is a colloidal liquid made of nanoscale ferromagnetic or ferrimagnetic particles suspended in a carrier fluid (usually an organic solvent or water). Each magnetic particle is thoroughly coated with a surfactant to inhibit clumping. Large ferromagnetic particles can be ripped out of the homogeneous colloidal mixture, forming a separate clump of magnetic dust when exposed to strong magnetic fields. The magnetic attraction of tiny nanoparticles is weak enough that the surfactant's Van der Waals force is sufficient to prevent magnetic clumping or agglomeration. Ferrofluids usually do not retain magnetization in the absence of an externally applied field and thus are often classified as "superparamagnets" rather than ferromagnets. In contrast to ferrofluids, magnetorheological fluids (MR fluids) are magnetic fluids with larger particles. That is, a ferrofluid contains primarily nanoparticles, while an MR fluid contains primarily micrometre scale particles. The particles in a ferrofluid are suspended by Brownian motion and generally will not settle under normal conditions, while particles in an MR fluid are too heavy to be suspended by Brownian motion. Particles in an MR fluid will therefore settle over time because of the inherent density difference between the particles and their carrier fluid. As a result, ferrofluids and MR fluids have very different applications. A process for making a ferrofluid was invented in 1963 by NASA's Steve Papell to create liquid rocket fuel that could be drawn toward a fuel pump in a weightless environment by applying a magnetic field. The name ferrofluid was introduced, the process improved, more highly magnetic liquids synthesized, additional carrier liquids discovered, and the physical chemistry elucidated by R. E. Rosensweig and colleagues. In addition Rosensweig evolved a new branch of fluid mechanics termed ferrohydrodynamics which sparked further theoretical research on intriguing physical phenomena in ferrofluids. In 2019, researchers at the University of Massachusetts and Beijing University of Chemical Technology succeeded in creating a permanently magnetic ferrofluid which retains its magnetism when the external magnetic field is removed. The researchers also found that the droplet's magnetic properties were preserved even if the shape was physically changed or it was divided.
Описание
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 размера достаточно, чтобы тепловое движение равномерно диспергировало их в жидкости-носителе и обеспечило вклад в общий магнитный отклик жидкости. Это аналогично тому, как ионы в водном парамагнитном солевом растворе (например, водном растворе сульфата меди(II) или хлорида марганца(II)) делают раствор парамагнитным. Типичный состав феррожидкости – около 5% магнитных твердых частиц, 10% поверхностно-активного вещества и 85% носителя, в объемном соотношении. Частицы в феррожидкостях диспергированы в жидкости, часто с использованием поверхностно-активного вещества, поэтому феррожидкости являются коллоидными суспензиями – материалами, обладающими свойствами более чем одного агрегатного состояния. В данном случае, это твердый металл и жидкость, в которой он находится. Эта способность изменять фазовое состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать их в качестве уплотнителей, смазочных материалов и может открыть новые возможности для применения в будущих наноэлектромеханических системах. Истинные феррожидкости стабильны, то есть твердые частицы не агломерируют и не расслаиваются даже в очень сильных магнитных полях. Однако поверхностно-активное вещество со временем разрушается (в течение нескольких лет), и в конечном итоге наночастицы начнут агломерировать, выпадать в осадок и перестанут вносить вклад в магнитный отклик 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 величины больше, чем частицы в феррожидкостях. Однако феррожидкости теряют свои магнитные свойства при достаточно высоких температурах, известных как температура Кюри.
Нестабильность нормального поля
Когда парамагнитная жидкость подвергается воздействию сильного вертикального магнитного поля, на её поверхности формируется регулярный узор из пиков и впадин. Этот эффект известен как нестабильность Розенсвейга или нестабильность при нормальном поле. Нестабильность обусловлена магнитным полем; её можно объяснить, рассмотрев, какая форма жидкости минимизирует общую энергию системы. С точки зрения магнитной энергии, пики и впадины энергетически выгодны. В гофрированной конфигурации магнитное поле концентрируется в пиках; поскольку жидкость намагничивается легче, чем воздух, это приводит к снижению магнитной энергии. В результате, выступы жидкости следуют по линиям магнитного поля, уходя в пространство, пока не наступит равновесие действующих сил. Одновременно с этим, образованию пиков и впадин противостоят гравитация и поверхностное натяжение. Требуется энергия как для перемещения жидкости из впадин вверх в пики, так и для увеличения площади поверхности жидкости. В итоге, формирование гофр увеличивает поверхностную свободную энергию и гравитационную энергию жидкости, но уменьшает магнитную энергию. Гофрирование будет формироваться только при превышении критической напряженности магнитного поля, когда уменьшение магнитной энергии перевешивает увеличение поверхностной и гравитационной энергии. Феррожидкости обладают исключительно высокой магнитной восприимчивостью, и критическое магнитное поле, необходимое для возникновения гофрирования, может быть достигнуто с помощью небольшого постоянного магнита.
Электронные устройства
Феррожидкости используются для создания жидкостных уплотнений вокруг вращающихся валов в жестких дисках. Вращающийся вал окружен магнитами. Небольшое количество феррожидкости, помещенное в зазор между магнитом и валом, удерживается на месте силой магнитного притяжения. Эта жидкость, состоящая из магнитных частиц, образует барьер, препятствующий проникновению загрязнений внутрь жесткого диска. По данным инженеров компании Ferrotec, феррожидкостные уплотнения на вращающихся валах обычно выдерживают давление от 3 до 4 фунтов на квадратный дюйм; для создания конструкций, способных выдерживать более высокое давление, можно использовать несколько уплотнений, установленных друг на друга.
to the magnet. The fluid of magnetic particles forms a barrier which prevents debris from entering the interior of the hard drive. According to engineers at Ferrotec, ferrofluid seals on rotating shafts typically withstand 3 to 4 psi; additional seals can be stacked to form assemblies capable of withstanding higher pressures.
Машиностроение
Феррожидкости обладают способностью снижать трение. При нанесении на поверхность достаточно сильного магнита, например, неодимового, они позволяют магниту скользить по гладким поверхностям с минимальным сопротивлением. Феррожидкости также могут применяться в полуактивных демпферах в механических и аэрокосмических областях. Пассивные демпферы обычно более громоздки и разрабатываются с учетом конкретного источника вибрации, в то время как активные демпферы потребляют больше энергии. Демпферы на основе феррожидкостей решают обе эти проблемы и становятся все более популярными, особенно в вертолетной индустрии, где необходимо справляться с большими инерционными и аэродинамическими вибрациями.
Научные исследования в области материаловедения
Феррожидкости могут использоваться для визуализации структуры магнитных доменов на поверхности ферромагнитных материалов с помощью метода, разработанного Фрэнсисом Биттером.
Громкоговорители
Начиная с 1973 года, феррожидкости использовались в динамиках для отвода тепла от голосовой катушки и пассивного демпфирования движения диффузора. Они располагаются в воздушном зазоре вокруг голосовой катушки, удерживаемые магнитом динамика. Поскольку феррожидкости парамагнитны, они подчиняются закону Кюри и, следовательно, становятся менее магнитными при повышении температуры. Сильный магнит, расположенный вблизи голосовой катушки (которая выделяет тепло), будет сильнее притягивать холодную феррожидкость, чем горячую, тем самым отводя нагретую феррожидкость от электрической голосовой катушки к радиатору. Это относительно эффективный метод охлаждения, не требующий дополнительного потребления энергии. Боб Берковиц из Acoustic Research начал изучать феррожидкости в 1972 году, используя их для демпфирования резонанса высокочастотного динамика. Дана Хэтэуэй из Epicure в Массачусетсе использовал феррожидкость для демпфирования высокочастотного динамика в 1974 году и заметил механизм охлаждения. Фред Беккер и Лу Мелильо из Becker Electronics также одними из первых начали использовать эту технологию в 1976 году, а Мелильо присоединился к Ferrofluidics и опубликовал статью в 1980 году. В сфере концертного звука Showco начала использовать феррожидкость в 1979 году для охлаждения низкочастотных динамиков. Panasonic стала первым азиатским производителем, внедрившим феррожидкость в коммерческие динамики в 1979 году. Эта область быстро развивалась в начале 1980-х годов. Сегодня ежегодно производится около 300 миллионов звукоизлучающих преобразователей с феррожидкостью внутри, включая динамики, установленные в ноутбуках, мобильных телефонах, наушниках и вкладышах.
Разделение клеток
Феррожидкости, конъюгированные с антителами или распространенными агентами захвата, такими как стрептавидин (SA) или анти-мышиный Ig (RAM) крыс, используются в иммуномагнитной сепарации – разновидности клеточной сортировки. Эти конъюгированные феррожидкости применяются для связывания с целевыми клетками, после чего происходит их магнитное отделение от клеточной смеси с использованием магнитного сепаратора с низким градиентом. Эти феррожидкости находят применение в клеточной терапии, генной терапии, производстве клеточных продуктов и других областях.
Аудиовизуализация
С эстетической точки зрения, феррофлюиды можно использовать для визуализации звука. Для этого капля феррожидкости помещается в прозрачную жидкость. Электромагнит изменяет форму феррофлюида в зависимости от громкости или звуковой частоты музыки, позволяя ему избирательно реагировать на высокие или низкие частоты в песне.
Железные ленты
Магнитооптическое устройство и динамическая линза для визуализации магнитного потока могут быть созданы с использованием сверхпарамагнитной тонкой пленки, заключенной и герметизированной между двумя оптически плоскими стеклами. Тонкая пленка состоит из сильно разбавленной, почти прозрачной феррожидкости толщиной в несколько микрон. Вокруг периметра ферролинзы расположен кольцевой массив светодиодов для ее подсветки. При проецировании внешнего магнитного поля на поверхность тонкой пленки формируется двухмерная картина магнитного потока, аналогичная классическому эксперименту Фарадея с железными опилками. Эта картина отображает информацию о глубине поля внешнего магнитного поля, несмотря на то, что толщина тонкой пленки составляет всего несколько микрон (то есть от 10 до 20 мкм).
Медицинские применения
Несколько феррофлюидов предлагались на рынке для использования в качестве контрастных веществ в магнитно-резонансной томографии, принцип действия которых основан на различии во времени магнитной релаксации различных тканей для создания контраста. Ряд препаратов был представлен, а затем изъят с рынка, включая Feridex I. V. (также известный как Endorem и фермуоксиды), производство которого было прекращено в 2008 году; resovist (также известный как Cliavist), с 2001 по 2009 год; Sinerem (также известный как Combidex), изъятый из обращения в 2007 году; Lumirem (также известный как Gastromark), с 1996 по 2012 год; Clariscan (также известный как PEG fero, Feruglose и NC100150), разработка которого была остановлена из-за проблем с безопасностью.
Двигатель космических аппаратов
Феррожидкости могут самоорганизовываться в наноразмерные иглоподобные острые наконечники под воздействием магнитного поля. Достигая критической тонкости, эти иглы начинают испускать струи, которые в будущем могут быть использованы в качестве двигательной установки для малых спутников, таких как CubeSats.
Аналитические приборы
Феррожидкости имеют множество оптических применений благодаря своим преломляющим свойствам; а именно, каждое зерно, являющееся микромагнитом, отражает свет. К этим применениям относится измерение удельной вязкости жидкости, помещенной между поляризатором и анализатором и освещенной гелиево-неоновым лазером.
Медицинские применения
Феррожидкости предлагаются для адресной доставки лекарственных препаратов. В этом процессе лекарства могут быть присоединены к феррожидкости или заключены в неё, что позволяет направлять их в нужную область и выборочно высвобождать с помощью магнитных полей. Также они предлагаются для адресной магнитной гипертермии с целью преобразования электромагнитной энергии в тепло. Кроме того, рассматривается возможность их применения в нанохирургии для разделения тканей, например, для отделения опухоли от окружающих её тканей.
Передача тепла
Внешнее магнитное поле, приложенное к феррожидкости с изменяющейся восприимчивостью (например, из-за градиента температуры), создает неоднородную силу магнитного тела, что приводит к форме теплопередачи, называемой термомагнитной конвекцией. Этот вид теплопередачи может быть полезен, когда традиционная конвективная теплопередача недостаточна, например, в миниатюрных микромасштабных устройствах или в условиях пониженной гравитации. Феррожидкости подходящего состава могут демонстрировать чрезвычайно большое увеличение теплопроводности (k; до ~300% от теплопроводности базовой жидкости). Значительное увеличение k обусловлено эффективным переносом тепла по проникающим путям наночастиц. Специальные магнитные наножидкости с регулируемым отношением теплопроводности к вязкости могут использоваться как многофункциональные «умные материалы», способные отводить тепло и гасить вибрации (демпферы). Такие жидкости могут найти применение в микрофлюидных устройствах и микроэлектромеханических системах (МЭМС).
Оптическая
Проводятся исследования по созданию адаптивной оптики – зеркала с изменяемой формой на основе феррожидкости и магнитного управления – для наземных астрономических телескопов. Для выделения различных длин волн света используются оптические фильтры. Замена фильтров затруднительна, особенно при непрерывном изменении длины волны с помощью перестраиваемых лазеров. Оптические фильтры, настраиваемые на разные длины волн посредством изменения магнитного поля, можно создать на основе феррожидкостной эмульсии.
Сбор энергии
Феррожидкости позволяют преобразовывать энергию вибраций из окружающей среды. Существующие методы сбора низкочастотных (<100 Гц) вибраций требуют использования твердых резонансных конструкций. При использовании феррожидкостей конструкции устройств для сбора энергии больше не нуждаются в твердых элементах. Один из примеров сбора энергии на основе феррожидкости заключается в размещении феррожидкости внутри контейнера и использовании внешних механических вибраций для генерации электричества в катушке, обернутой вокруг контейнера и расположенной в поле постоянного магнита. Сначала феррожидкость помещают в контейнер, обернутый катушкой проволоки. Затем феррожидкость намагничивается извне с помощью постоянного магнита. Когда внешние вибрации вызывают колебания феррожидкости внутри контейнера, происходит изменение магнитного потока относительно катушки проволоки. В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, в катушке проволоки индуцируется напряжение из-за изменения магнитного потока.