ფერომაგნიტური სითხე

ფერომაგნიტური სითხე (ფმს, მაგნიტური სითხე, ფეროფლუიდი) (ლათინური სიტყვისგან „ferrum“ — რკინა) — სითხე, რომელიც მაგნიტურ ველში მოთავსებისას ძლიერ მაგნიტდება.
ფერომაგნიტური სითხე წარმოადგენს კოლოიდურ სისტემას, რომელიც შედგება ნანომეტრული ზომის ფერომაგნიტური ან ფერიმაგნიტური ნაწილაკებისაგან, რომლებიც შეწონილ მდგომარეობაში არიან მათ გადამტან სითხეში (წყალი, ორგანული სითხე ან სხვა თხევადი გარემო). ასეთი სითხის მდგრადობას უზრუნველყოფს კოლოიდურ სისტემაში შეყვანილი ზედაპირულად აქტიური ნივთიერება (ზან), რომელიც მაგნიტური ნანონაწილაკების ირგვლივ წარმოქმნის გარსებს, რაც ხელს უშლის ნანონაწილაკთა აგლომერაციის (ურთიერთმიწებების) პროცესებს, გამოწვეულს ვან-დერ-ვაალსის ან მაგნიტური ძალებით.
ფერომაგნიტური სითხეები ჩვეულებრივი ფერომაგნეტიკებისგან განსხვავებით არ ინარჩუნებენ ნარჩენ დამაგნიტებულობას გარე მაგნიტური ველის მოხსნის შემდეგ. სინამდვილეში ფერომაგნიტური სითხეები წარმოადგენენ პარამაგნეტიკებს და მათ მაღალი მაგნიტური ამთვისებლობის გამო ხშირად უწოდებენ "სუპერპარამაგნეტიკებს"
აღწერა
ფერომაგნიტური სითხეები შედგება მაგნეტიტის, ჰემატიტის ან რკინის შემცველი სხვა რაიმე მასალის, ნანომეტრული ზომის (10 ნმ ან ნაკლები) ნაწილაკებისაგან, რომელიც შეწონილია მათ გადამტან სითხეში. ნაწილაკთა ზომები იმდენად მცირეა, რომ სითბურ მოძრაობას ძალუძს ისინი თანაბრად გაანაწილოს მთელ სითხეში, სწორედ ამის გამო, მოდებულ გარე მაგნიტურ ველზე რეაგირებს სითხის არა ცალკეული უბნები, არამედ მთლიანად მთელი სითხე. ანალოგიურად პარამაგნიტური მარილების (მაგალითად, სპილენძ(II) სულფატის წყალხსნარი ან მანგანუმ (II) ქლორიდი) წყალხსნარებში, იონები ხსნარს აძლევენ პარამაგნიტურ თვისებას.
ფერომაგნიტური სითხეები წარმოადგენენ მაგნიტური ნანონაწილაკების თხევად დისპერსიებს, რომლებიც სტაბილიზაციისთვის დაფარულია ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებით. ეს არის მდგრადი და გარე მაგნიტური ველისადმი ძალზე მგრძნობიარე ორფაზიანი გარემო, რომლის თვისება ახლოსაა ერთგვაროვანი სითხის თვისებებთან. ფერომაგიტური სითხეების პრინციპიალურ თავისებურებას წარმოადგენს დისპერსიული ნაწილაკების ზომა. მაგნიტურ სითხეებში, გარე მაგნიტური ველის მოდებისას არ ხდება ფაზური განშრევება და ველის მოხსნის შემდეგ ფერომაგნიტური სითხე პრაქტიკულად მთლიანად აღიდგენს თავის თავდაპირველ მახასიათებლებს. ეს ძლიერ განასხვავებს მაგნიტურ სითხეებს მაგნიტურ სუსპენზიებისაგან კერძოდ მაგნიტორეოლოგიურ სითხეებისაგან. მიუხედავად ამისა, ფერომაგნიტური სითხის შემადგენლობაში მყოფ ზედაპირულად აქტიურ ნივთიერებებს გააჩნიათ თვისება დაიშალონ დროთა განმავლობაში (დაახლოებით რამდენიმე წელიწადში), შედეგად კი სითხეში არსებული მაგნიტური ნანონაწილაკები შეეწებებიან ერთმანეთს და გამოილექებიან, შესაბამისად სითხე კარგავს მაგნიტურ თვისებებს. ასევე აღსანისშნავია, რომ ფერომაგნიტური ნაწილაკები კარგავენ მაგნიტურ თვისებებს თავიანთ კიურის ტემპერატურაზე, რომელიც თავის მხრივ დამოკიდებულია ფერომაგნიტური ნაწილაკების კონკრეტულ მასალაზე, ზედაპირულად აქტიურ ნივთიერებაზე და გადამტან სითხეზე.
ტერმინი "მაგნიტორეოლოგიური სითხე" გამოიყენება ისეთი სითხეების აღსანიშნავად, რომლებიც ფერომაგნიტური სითხეების მსგავსად მყარდებიან მაგნიტური ველის არსებობისას. ფერომაგნიტურ სითხესა და მაგნიტორეოლოგიურ სითხეს შორის განსხვავება მდგომარეობს ნაწილაკთა ზომებში. ფერომაგნიტურ სითხეში ნაწილაკები ძირითადად ნანომეტრული ზომისაა, ისინი ბროუნის მოძრაობის გამო იმყოფებიან შეწონილ მდგომარეობაში და არ ილექებიან ნორმალურ პირობებში. მაგნიტორეოლოგიურ სითხეში ნაწილაკთა ზომები მიკრომეტრული ზომისაა (1-3 რიგით მეტია), შესაბამისად მასებიც გაცილებით მეტია და ბროუნის მოძრაობა ვერ უზრუნველყოფს მათ შენარჩუნებას შეწონილ მდგომარეობაში, ამიტომაც დროთა განმავლობაში ილექებიან. აქედან გამომდინარე ამ ორი ტიპის სითხეებს გამოყენების არეებიც სხვადასხვა აქვთ.
არასტაბილურობა მართობულად მიმართულ მაგნიტურ ველში
საკმაოდ ძლიერი ვერტიკალურად მიმართული მაგნიტური ველის ზემოქმედებით ფერომაგნიტურის სითხის ზედაპირი სპონტანურად ახდენს სხვადასხვა სახის ნაოჭებისებრ, რეგულარულ სტრუქტურების ფორმირებას . ეს ეფექტი ცნობილია "მართობულ მაგნიტურ ველში არასტაბილურობის" სახელწოდებით. ასეთი სტრუქტურული ნაოჭების ფორმირება ზრდის ზედაპირის თავისუფალ ენერგიასა და სითხის გრავიტაციულ ენერგიას, მაგრამ ამასთან ამცირებს მაგნიტური ველის ენერგიას.ასეთი კონფიგურაცია წარმოიშობა მხოლოდ მაგნიტური ველის კრიტიკული მნიშვნელობაზე გადაჭარბების შემთხვევაში. ფერომაგნიტურ სითხეებს გააჩნიათ ძალზე მაღალი მაგნიტური ამთვისებლობა, შესაბამისად კრიტკული მაგნიტური ველისათვის, რომელიც საჭიროა ზედაპირული სტრუქტურული ნაოჭების წარმოსაქმნელად, საკმარისია პატარა მაგნიტიც.
ფერომაგნიტური სითხეებში გამოყენებადი მაგნიტური მასალები
დისპერსირებადი მაგნიტური მასალების სახით ფერომაგნიტურ სითხეებში გამოიყენება ნივთიერებათა ფართო დიაპაზონი, რომელთაც გააჩნიათ ლოკალური სპონტანური დამაგნიტებულობა, მათ შორის რკინის ოქსიდები (მაგნეტიტი, მაგემიტი) ფერიტები, კობალტისა და ნიკელის შენაერთები. სუფთა ლითონების ნანონაწილაკების შემცველი მაგნიტური სითხეების სინთეზისას, მაგნიტურ სითხეში მნიშვნელოვნად იზრდება მაგნიტური ურთიერთქმედება და შესაბამისად მკაცრდება მოთხოვნები ასეთი სისტემების სტაბილიზაციისადმი. მაგნიტური ნანონაწილაკების დისპერსიული სისტემების მიღებად , ყველაზე ფართოდ გავრცელებული ხერხია დალექვის რეაქცია. ორ და სამვალენტიანი რკინის მარილთა წყალხსნაში განსაზღვრულ პირობებში წარმოიქმნება მაგნეტიტი 2 დან 20 ნმ ზომის ნაწილაკებით, რომელიც შემდგომ სპეციალური ქიმიური პროცედურებით გადაჰყავთ სხვადასხვა თხევად ფუძეებზე.
ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები ფერომაგნიტური სითხეებისათვის
ფერომაგნიტური სითხის სტაბილიზაციის უზრუნველსაყოფად ძირითადად გამოიყენება შემდეგი სახის ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები:
ოლეინის მჟავა
ტეტრამეთილამონიუმის ჰიდროქსიდი
ლიმონმჟამვა
სოიოს ლეციტინი
ზან ხელს უშლის ნაწილაკების კოაგულაციას, აფერხებს რა ძალზე დიდი ზომის კლასტერების წარმოქმნას, რომლებიც ვერ შეძლებენ კოლოიდურ სისტემაში ბროუნის მოძრაობის ხარჯზე შეწონილ მდგომარეობაში ყოფნას. იდეალურ ფერომაგნიტურ სითხეში მაგნიტური ნაწილაკები არ ილექებიან გრავიტაციულ ან ძალზე ძლიერ მაგნიტურ ველშიც კი. ზან მოლეკულებს გააჩნიათ პოლარული „თავაკები“ და არაპოლარული „კუდი“ (ან პირიქით); ერთ-ერთი ბოლო ადსორბირდება ნაწილაკზე, ხოლო მეორე ბოლო ემაგრება გადამტანი სითხის მოლეკულებს, ქმნიან რა ასეთი სახით ნაწილაკის გარშემო ერთგვარ გარსს (მოლეკულურ ღრუბელს). შედეგად სივრცული ეფექტები ეწინააღმდეგებიან ნაწილაკთა შეჯგუფებას (შეწებებას).
ბიოსამედიცინო სფეროში მაგნიტური ნაწილაკების ირგვლივ სტაბილიზირებადი გარსის სახით ასევე ცდილობენ გამოიყენონ სხვადასხვა პოლიმერები. ასეთი ტიპის სტაბილიზაციისადმი ინტერესი გამოწვეულია ორი ფაქტორით. ჯერ ერთი, პოლიმერული გარსით დაფარული ნაწილაკები ადვილად ემორჩილებიან ე.წ ფუნქციონალიზაციას: მათთან ქიმიური ჯგუფების მიერთებას, რომელიც საჭიროა ცალკეული მიზნებისთვის და მეორეც, ნაწილაკები რომელთა ჩანერგვა ხდება ცოცხალ ორგანიზმში, უნდა იყოს ბიოთავსებადი (ანუ არ უნდა იწვევდნენ იმუნური სისტემის რეაქციას და არ იყვნენ ტოქსიკურნი) რაც შესაძლებელია უფრო ეფექტურად მიღწეულ იქნას შესაბამისი პოლიმერული მოლეკულების გამოყენებით.
მიუხედავად იმისა, რომ ზან ხელს უწყობს ფერომაგნიტური სითხის მდგრადობას და აფერხებს მაგნიტური ნანონაწილაკების დალექვას, ისინი უარყოფით ზეგავლენას ახდენენ მაგნიტურ თვისებებზე (განსაკუთრებით კი სითხის მაგნიტური გაჯერებისთვის) ზან-ის დამატება ამცირებს აქტივირებულ მდგომარეობაში, სითხეში ფერომაგნიტური ნაწილაკების დაჯგუფებათა სიმკვრივეს, ამასთან მცირდება მისი სიბლანტეც ამ მდგომარეობაში. მიუხედავად იმისა, რომ ცალკეულ შემთხვევებში აქტირუ მდგომარეობაში ფერომაგნიტური სითხის სიბლანტე (ასე ვთქვათ მისი "სიმყარე") არც თუ ისე მნიშვნელოვანია, თუმცა უმრავლეს კომერციულ და სამრეწველო კუთხით გამოყენებისას ეს არის სითხის ერთ-ერთი უმთავრესი თვისება, ამიტომაც აუცილებელია გარკვეული კომპრომისი აქტიურ მდგომარეობაში ფერომაგნიტური სითხის სიბლანტესა და ნაწილაკთა დალექვის სიჩქარეს შორის.
გამოყენება
ფერომაგნიტური სითხეები ავლენენ მრავალ არაჩვეულებრივ თვისებას. ასე მაგალითად, თუ სისტემაში ნაწილაკებს შორის მიზიდულობისა და განზიდვის ენერგიათა ფარდობა მცირედ მეტია ერთზე, მაშინ ფერომაგნიტურ სითხეზე გარე მაგნიტური ველის მოქმედებისას შეიძლება განხორციელდეს ნანონაწილაკების სპეციფიკური აგრეგაცია ველის გასწვრივ წრფივი ჯაჭვის სახით. ასეთი აგრეგაცია მყისიერად ცვლის ფერომაგნიტური სითხის ყველა თვისებას და მას ხდის ანიზოტროპულს მაგნიტური ველის მიმართულების მიმართ, რასაც თან სდევს ფერომაგნიტური სითხეების პრაქტიკულად ყველა ფიზიკური თვისებების სივრცული ცვლილება, სიმკვრივის, სიბლანტის, ზედაპირული დაჭიმულობის, გამტარებლობის, ინდუქტიურობის და სხვ. ჩათვლით. ამრიგად, ფერომაგნიტური სითხეების ფიზიკური თვისებების მართვა შესაძლებელია გარე მაგნიტური ველის მეშვეობით. ზემოაღნიშნული თვისებების გამო ფერომაგნიტური სითხეები გამოიყენება მეცნიერებისა და ტექნიკის სხვადასხვა სფეროში.
მანქანათმშენებლობა
ფერომაგნიტურ სითხეს შეუძლია მნიშვნელოვნად შეამციროს ხახუნი. ძლიერ მაგნიტზე (მაგალითად ნეოდიმიუმის (NdFeB) მაგნიტი) ფერომაგნიტური სითხის წასმა, მაგნიტს საშუალებას აძლევს ისრიალოს გლუვ ზედაპირზე მინიმალური წინააღმდეგობით. Ferrari მაგნიტორეოლოგიურ სითხეებს იყენებს საკუთარ მანქანების ცალკეულ მოდელებში ამძრავის თვისებების გასაუმჯობესებლად. კომპიუტერით მართვადი ელექტრომაგნიტის ზემოქმედებით, ამძრავი მყისიერად შეიძლება გახდეს მეტად ხისტი ან მეტად რბილი.
ავიაკოსმოსური მრეწველობა
NASA-ში ტარდებოდა ექსპერიმენტები შეკრულ რგოლში ფერომაგნიტური სითხის გამოყენებაზე, როგორც კოსმოსური ხომალდის, სივრცეში სტაბილიზაციის სისტემის საფუძველი. მაგნიტური ველი ზემოქმედებს რგოლში არსებულ ფერომაგნიტურ სითხეზე, ცვლის რა ამით იმპულსის მომენტს, ეს კი ზეგავლენას ახდენს ხომალდის ბრუნვაზე.
ანალიტიკური ხელსაწყოები
ფერომაგნიტური სითხეები მათი გარდატეხის თვისებების წყალობით ფართო გამოყენებას ჰპოვებენ ოპტიკაში. მათ შორის აღსანიშნავია პოლარიზატორსა და ანალიზატორს შორის მოთავსებული და ჰელიუმ-ნეონის ლაზერით განათებადი სითხის კუთრი სიბლანტის გაზომვა.
მედიცინა
ტარდება უამრავი ცდა ფერომაგნიტური სითხეების გამოყენებით სიმსივნური უჯრედების მოსაცილებლად. მიმდინარეობს კვლევები ფერომაგნიტური სითხეების, როგორც წამლის დაზიანებულ ქსოვილებამდე ტრანსპორტირების საშუალებად გამოყენების თაობაზე. ფერიტული ნაწილაკები აქტიურად შთანთქავენ რენტგენულ გამოსხივებას, რაც საშუალებას იძლევა ფერომაგნიტური სითხეები რენტგენოსკოპიაში გამოყენებული იქნას როგორც რენტგენოკონტრასტული ნივთიერება.
თბოგადაცემა
ფერომაგნიტური სითხეებს იყენებენ სითბოს გადაცემაში. მაგნიტური ველით სხვადასხვა ამთვისებლობის ((მაგ. ტემპერატურული გრადიენტის არსებობის გამო)) მქონე ფერომაგნიტურ სითხეზე ზემოქმედებისას, წარმოიშობა არაერთგვაროვანი მაგნიტური მოცულობითი ძალა, რაც იწვევს ახალი ფორმის სითბოს გადაცემას, ე.წ თერმომაგნიტურ კონვენციას. თბოგადაცემის ასეთი სახე შესაძლებელია გამოყენებულ იქნას იქ, სადაც არ გამოდეგება ჩვეულებრივი კონვენცია, მაგალითად მიკრომოწყობილობებში ან შემცირებული გრავიტაციის პირობებში.
სამთო მრეწველობა
მაგნიტური ველის ზემოქმედებით კოლოიდურ ნაწილაკებს უნარი აქვთ შემჭიდროვდნენ და ხსნარიდან გამოდევნონ არამაგნიტური ელემენტები, აქედან გამომდინარე ფერომაგნიტური სითხეები იძლევა საშუალებას განხორციელდეს წიაღისეულის მაგნიტური სეპარაცია სიმკვრივეთა მიხედვით.
რესურსები ინტერნეტში
http://mrsec.wisc.edu/Edetc/background/ferrofluid/index.html#intro
How ferrofluid works video
http://roberthodgin.com/cymatic-ferrofluid/
Research project about ferrofluides
http://www.youtube.com/watch?v=21WzdjqAG0s
ლიტერატურა
С.Такетоми, С.Тикадзуми Магнетые Жидкости . издателство «мир» 1993 .
М. В. Авдеев, В. Л. Аксенов Малоугловое рассеяние нейтронов в структурных исследованиях магнитных жидкостей (рус.) // УФН. — 2010. — Т. 180. — С. 1009—1034.
Magnetic nanoparticles: preparation, structure and properties S.P Gubin, Yu. A Koksharov, G. B Khomutov, G.Yu Yurkov
Russian Chemical Reviews 74 (6) 489 ± 520 (2005) # 2005 Russian Academy of Sciences and Turpion Ltd
FERROFLUIDS Synthesis, properties and applications Ladislau Vékás Lecture to be given at the
European Summer School on Magnetism “New magnetic materials and their applications”
9-18 September, 2007 Cluj-Napoca (Romania)
К.Г. ДОБРЕЦОВ1, В.Ю. АФОНЬКИН1, С.В. СТОЛЯР, В.П. ЛАДЫГИНА, А.В. СИПКИН1, А.С. ЛОПАТИН5 ВЕСТНИК ОТОРИНОЛАРИНГОЛОГИИ, 2, 2009
ფერომაგნიტური სითხეების მომზადების ინსტრუქციები
FerroFluid Synthesis
მაგნეტიზმი
პლაზმის ფიზიკა
ნანომასალები