(57)【要約】【課題】    形成されるクラスターの大きさを適切かつ容易に制御することが可能な交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法を提供する。【解決手段】    強磁性または反強磁性を有する磁性粒子を含む磁性粒子含有物質が分散された液体中で、交流磁場により磁性粒子の双極子−双極子相互作用を利用して磁性粒子含有物質を凝集させてクラスターを形成する際に、交流磁場の周波数および磁場強度の少なくとも一方を変化させることにより形成されるクラスターの大きさを制御する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性または反強磁性を有する磁性粒子を含む磁性粒子含有物質が分散された液体中で、交流磁場により磁性粒子の双極子−双極子相互作用を利用して磁性粒子含有物質を凝集させてクラスターを形成する際に、交流磁場の周波数および磁場強度の少なくとも一方を変化させることによりクラスターの大きさを制御することを特徴とする交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法。
【請求項２】
磁性粒子の粒径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法。
【請求項３】
クラスターが鎖状クラスターであることを特徴とする請求項１または２記載の磁性粒子含有物質の凝集制御方法。
【請求項４】
磁性粒子含有物質が、磁性粒子、磁性原子内包フラーレンおよび磁性原子内包ナノチューブのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法。
【請求項５】
強磁性または反強磁性を有する磁性粒子を含む磁性粒子含有物質が分散された液体中にマイクロ回路を配置し、マイクロ回路に交流電流を流すことにより交流磁場を発生させ、磁性粒子含有物質を凝集させて交流磁場の周波数および磁場強度の少なくとも一方を変化させることにより大きさが制御されたクラスターを形成し、そのマイクロ回路を移動させることによりそのクラスターのマニピュレーションを行うことを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の磁性粒子含有物質の凝集制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、形成されるクラスターの大きさを適切かつ容易に制御することが可能な交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁性流体はコロイド状の溶液であり、水、油などの溶媒中に強磁性のナノ粒子が分散されたものであって、磁性流体中の個々のナノ粒子は単一の強磁性磁区で構成され、その双極子モーメントはナノ粒子の結晶軸に固定されている。
【０００３】
直流磁場中における磁性流体の粘度は、直流磁場により強磁性粒子の回転運動が減少するため大きくなることが知られているが、交流磁場中の磁性流体の場合、ある条件では強磁性粒子の回転運動を助長させることになり、結果的に見かけ粘度が負になる場合もあり、この現象は負の粘性効果（negative viscosity effect）と言われており、理論的、実験的かつ数値的に研究がなされている。
【０００４】
他方で、直流磁場中の液体中にある強磁性粒子は鎖状クラスターを磁場の方向に沿って形成し、クラスター形成は磁性流体の流動特性（レオロジカル特性）に影響することが知られている（たとえば非特許文献１および非特許文献２）。しかしながら、交流磁場に関しては、これまでクラスター形成を考慮した交流磁場中の磁性流体の流動特性についての研究はなされていなかった。
【０００５】
これまでに、いくつかの実験結果は、負の粘度に対するクラスター形成への影響を研究する必要性を示唆してはいるが（たとえば非特許文献３および非特許文献４）、これまで交流磁場中での強磁性粒子のクラスター構造については研究がなされていないのが現状である。
【非特許文献１】C. F. Hayes、"Observation of Association in a Ferromagnetic Colloid"、Journal of Colloid Interface Science、Vol. 52、p.239-243、1975年
【非特許文献２】H．MorimotoおよびT. Maekawa、"Cluster structures and Cluster-Cluster Aggregations in a Two Dimensional Ferromagnetic Colloidal System"、Journal of Physics A、Vol. 33、p.247-258、2000年
【非特許文献３】F. GazeauおよびC. Baravian他、"Energy conversion in ferrofluids: Magnetic nanoparticles as motors or generators"、Vol. 56、p.614-618、1997
【非特許文献４】A. ZeunerおよびR. Richter他、"Experients on negative and positive magnetoviscosity in an alternating magnetic field"、Vol. 58、p.6287-6293、1998
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこでこの出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、形成されるクラスターの大きさを容易かつ適切に制御することが可能な交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、強磁性または反強磁性を有する磁性粒子を含む磁性粒子含有物質が分散された液体中で、交流磁場により磁性粒子の双極子−双極子相互作用を利用して磁性粒子含有物質を凝集させてクラスターを形成する際に、交流磁場の周波数および磁場強度の少なくとも一方を変化させることによりクラスターの大きさを制御することを特徴とする交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法を提供する。
【０００８】
第２には、この出願の発明は、第１の発明において、磁性粒子の粒径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法を提供する。
【０００９】
さらに、第３には、第１または２の発明において、クラスターが鎖状クラスターであることを特徴とする磁性粒子含有物質の凝集制御方法を提供する。
【００１０】
また第４には、第１ないし３いずれかの発明において、磁性粒子含有物質が、磁性粒子、磁性原子内包のフラーレンおよび磁性原子内包ナノチューブのうちのいずれかであることを特徴とする交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法をも提供する。
【００１１】
第５には、第１ないし４いずれかの発明において、強磁性または反強磁性を有する磁性粒子を含む磁性粒子含有物質が分散された液体中にマイクロ回路を配置し、マイクロ回路に交流電流を流すことにより交流磁場を発生させ、磁性粒子含有物質を凝集させて交流磁場の周波数および磁場強度の少なくとも一方を変化させることにより大きさが制御されたクラスターを形成し、そのマイクロ回路を移動させることによりそのクラスターのマニピュレーションを行うことを特徴とする磁性粒子含有物質の凝集制御方法を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
この出願の発明によれば、形成されるクラスターの大きさを適切かつ容易に制御することが可能な交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１４】
この出願の発明の交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法では、強磁性または反強磁性の磁性を有する磁性粒子を含む磁性粒子含有物質が分散された液体中で、交流磁場により双極子−双極子相互作用を利用して磁性粒子含有物質を凝集させてクラスターを形成する際に、交流磁場の周波数および磁場強度の少なくとも一方を変化させることによりクラスターの大きさを制御することを大きな特徴としている。このようにすることで、液体中の磁性粒子含有物質を凝集させ、適切かつ容易に大きさの制御されたクラスターを形成することが可能となるのである。
【００１５】
なお、この出願の発明における「磁性粒子含有物質」は、磁性粒子を内包する物質やその他の磁性粒子含有物質はもちろんのこと、磁性粒子自体のことも意味している。
【００１６】
このとき、磁性粒子含有物質に含まれる磁性粒子としては粒径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下のものを好適に用いることができ、形成されるクラスターとしては、磁性粒子含有物質が印加磁場の方向に鎖状に並んだ鎖状クラスターが好適に形成される。そして、形成されるクラスターが鎖状クラスターの場合、交流磁場の周波数を高くすることによって、鎖状クラスターを太くする（鎖状クラスターの径を大きくする）ことができ、逆に交流磁場の周波数を低くすることによって鎖状クラスターを細くする（鎖状クラスターの径を小さくする）ことができるのである。また、磁場強度を小さくすることによって鎖状クラスターを太くすることができ、逆に磁場強度を大きくすることによって鎖状クラスターを細くすることも可能である。
【００１７】
また、この出願の発明の交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法においては、磁性粒子含有物質としては様々なものが考えられるが、とくに、磁性粒子、磁性原子内包のフラーレンおよび磁性原子内包ナノチューブのうちのいずれかを好適に凝集させ大きさの制御されたクラスターを形成することができるのである。
【００１８】
さらに、この出願の発明の交流磁場による磁性粒子含有物質の磁性制御方法によれば、強磁性または反強磁性を有する磁性粒子を含む磁性粒子含有物質が分散された液体中にマイクロ回路を配置し、マイクロ回路に交流電流を流すことにより交流磁場を発生させ、磁性粒子含有物質を凝集させて交流磁場の周波数および磁場強度の少なくとも一方を変化させることにより大きさが制御されたクラスターを形成し、そのマイクロ回路を移動させることによりそのクラスターのマニピュレーションを行うといったことも可能であり、このように微小なマイクロ回路を用いることで、磁性粒子により形成されたクラスターのマニピュレーションを行うことができるのである。
【００１９】
なお理論的には印加磁場中の液体中での磁性粒子含有物質の凝集を支配する制御パラメータは、双極子−双極子相互エネルギーと熱エネルギーの比であるλと、磁場と粒子磁気双極子モーメントの相互エネルギーと熱エネルギーの比であるξと、粒子の回転ブラウン運動の緩和時間τBにより規格化された印加磁場である交流磁場の角周波数（周波数の２π倍）ωMであるωMτBである。このときλは、
【００２０】
【数１】
2005246538.tif 000003
で表される。ただし、ｍ、μ0、ｄ、ｋ、Ｔ、はそれぞれ磁性粒子の磁気双極子モーメント、溶媒の透磁率（真空の透磁率に等しい）、磁性粒子の粒径、ボルツマン定数、絶対温度である。
【００２１】
印加磁場の磁場強度Ｈは、交流磁場の場合Ｈ（ｔ）で表され、以下のように変化する。
【００２２】
【数２】
2005246538.tif 000004
ここで、Ｈ0は交流磁場の振幅であり、ωMは前述のように交流磁場の角周波数（ｒａｄ／ｓ）である。また、もう１つの制御パラメータξは交流磁場の振幅を基にし、
【００２３】
【数３】
2005246538.tif 000005
で表される。なおＨ0は交流磁場の振幅を意味する。また、ωMτBにおいて回転ブラウン運動の緩和時間であるτBは、
【００２４】
【数４】
2005246538.tif 000006
で表される。ここで、η0、Ｒは溶媒の粘性係数（単位Ｐａ・ｓ）、粒子半径である。
【００２５】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【実施例】
【００２６】
＜実施例１＞
液体中の強磁性粒子を直流磁場中で凝集させたときの状態およびこの出願の発明の交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法を用いて強磁性粒子を交流磁場中で凝集させたときの状態を図１（ａ）〜（ｄ）の写真に示す。なお、磁場は図１（ａ）から明らかなように紙面上の下から上に向かって印加している。図１（ａ）〜（ｄ）の写真より明らかなように磁性流体に直流磁場あるいは交流磁場を印加することにより強磁性粒子の鎖状クラスターが形成された。なお、このときの強磁性粒子の平均直径は１０ｎｍであって磁場強度は０．０３Ｔであり、図１（ａ）は直流磁場中、（ｂ）は周波数０．５Ｈｚの交流磁場中、（ｃ）は周波数１．０Ｈｚの交流磁場中、（ｄ）は周波数１０Ｈｚの交流磁場中において強磁性粒子が鎖状クラスターを形成している。図１（ｂ）〜（ｄ）から明らかなように交流磁場の周波数が高くなるに従い、鎖状クラスターの径が大きく、すなわち鎖状クラスターが太くなっているのが分かる。
【００２７】
この凝集メカニズムを理解するため、ブラウン動力学法によるシミュレーションを行った。その様子を図２（ａ）〜（ｄ）に示す。強磁性粒子としてマグネタイト（磁鉄鉱）粒子を用いているが、このマグネタイト粒子は球形であり、個々のマグネタイト粒子は界面活性剤で被覆されている。そしてこの場合、双極子−双極子ポテンシャル、ファンデルワールス力、そして界面活性剤−界面活性剤の接触による反発力は粒子間相互作用として考慮される。なお、このシミュレーションにおいては前述したλ（双極子−双極子相互エネルギーと熱エネルギーの比）およびξ（磁場と粒子磁気双極子モーメントの相互エネルギーと熱エネルギーの比）はλ＝１２．２、ξ＝３０であり、図２（ａ）は紙面上の下から上へ向かって印加した直流磁場中のマグネタイト粒子のクラスター構造であり、（ｂ）は粒子の回転ブラウン運動の緩和時間τBにより規格化された交流磁場の角周波数ωMτB＝０．１、（ｃ）はωMτB＝１．０、（ｄ）はωMτB＝３．０の交流磁場中のマグネタイト粒子のクラスター構造を示している。なお、ωMは前述のとおり交流磁場の角周波数であり、τBはマグネタイト粒子の回転ブラウニアン運動の緩和時間である。図２（ｂ）〜（ｄ）から明らかなように、交流磁場中においては、交流磁場の周波数を高くすることによって、すなわち（ｂ）の状態から（ｄ）の状態になるにしたがって太いクラスターが形成されることが分かった。
【００２８】
次に図３（ａ）〜（ｆ）に直流磁場中および交流磁場中で鎖状クラスターが形成される粒子凝集過程を表すシミュレーションの結果を示す。なおこのとき、パラメータはλ＝１２．２、ξ＝３０、ωMτB＝１．０であり、図３（ａ）〜（ｆ）はそれぞれωMｔ／２π＝０（直流磁場）、０．３６、０．４３、０．４９、０．５５および０．６１のときのスナップショットである。なお図３（ａ）は直流磁場中での粒子凝集状態であって鎖状クラスターが形成されており、ある部分では鎖状クラスターが重なり合った状態となっている。そして交流磁場を印加することで磁場強度が小さくなったところでクラスターが個々の粒子に分解されるが、図３（ａ）において重なりあっていた部分は結合が強いため分解されない（図３（ｂ））。そして逆方向の磁場が強くなるにしたがって単独で存在する粒子がクラスターに取り込まれ、太いクラスターが形成される（図３（ｃ））。また、磁場強度が小さいほどクラスター径は大きくなる。このように交流磁場の磁場強度を変化させることによってクラスター径の大きさを変化させることができることがわかった。
＜実施例２＞
強磁性粒子が分散された液体すなわち磁性流体中にたとえば図４に示すようなマイクロ回路を配置し、マイクロ回路に交流電流を流すことにより交流磁場を発生させることにより、マイクロ回路の四角の部分に磁性粒子を集めクラスターを形成した。そしてそのマイクロ回路を液体中で移動させることによりクラスターのマニピュレーションを行った。このように微小なマイクロ回路を用いることで、磁性粒子により形成されたクラスターのマニピュレーションを行うことが可能となるのである。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、形成されるクラスターの大きさを適切かつ容易に制御することが可能な交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】直流磁場中およびこの出願の発明の交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法を用いて強磁性粒子を凝集させたときの状態を例示した写真である。
【図２】直流磁場中およびこの出願の発明の交流磁場による磁性粒子含有物質の凝集制御方法を用いて強磁性粒子を凝集させたときのブラウン動力学法によるシミュレーションの結果を例示した図である。
【図３】交流磁場中で鎖状クラスターが形成される粒子凝集過程を示すシミュレーションの結果を例示した図である。
【図４】磁性流体中に配置して交流磁場を発生させ、形成したクラスターをマニピュレートするマイクロ回路を例示した写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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