موضوع مقاله: فروسیال | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # فروسیال | مقدمه: فِروسیال یا فِروفلوئید (ترکیبی از دو واژهٔ فرومغناطیس و فِلوئید به معنای شاره یا سیال) یا فرومغناطیس سیال، شاره‌ای است که در حضور یک میدان مغناطیسی به شدت مغناطیده می‌شود. | ## بخش 1: فروسیال | فروسیال مخلوطی کلوئیدی، متشکل از ذرات فرومغناطیسی در ابعاد نانو یا ذرات فرومغناطیسی معلق در یک مایع حامل (معمولاً یک حلال آلی یا آب) است. زمانی که این مایع در میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرد، ذرات فرومغناطیسی لخته‌های بزرگی را تشکیل می‌دهند و به این صورت می‌توان ذرات فرومغناطیسی بزرگ را از مخلوط کلوئیدی همگن جدا کرد. جاذبه مغناطیسی بین نانوذرات به اندازه‌ای ضعیف است که نیروی واندروالسی سورفاکتانت برای جلوگیری از توده‌ای شدن یا لخته شدن کفایت می‌کند. فروسیال معمولاً تازمانی که در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار نگرفته‌است، خاصیت مغناطیسی خود را حفظ نمی‌کند و به همین دلیل در هنگام طبقه‌بندی، به جای گروه فِرومغناطیس‌ها در گروه ابرپارامغناطیسها (Superparamagnet) قرار می‌گیرد. ذرات موجود در فروسیال‌ها عمدتاً ذراتِ نانو هستند که با حرکت بروانی در مایع معلق می‌باشند و به‌طور کلی در شرایط معمولی ته‌نشین نمی‌شوند. در حالی که ذرات تشکیل دهندهٔ مایعات مغناطیسی عمدتاً در مقیاس میکرومتر هستند که برای معلق ماندن با حرکت براونی بسیار سنگینند، و به مرور زمان به دلیل تفاوت چگالی ذاتی بین ذرات تشکیل دهنده و سیال حامل، ته‌نشین می‌شوند. تاریخچه فرایندی برای ساخت یک فروسیال در سال ۱۹۶۳ توسط استیوپاپل از ناسا(NASA)ابداع شد تا سوخت موشکی مایعی ایجاد کند که با استفاده از یک میدان مغناطیسی بتواند در نهایت به یک پمپ سوخت در محیط بی وزن منجر شود. نام فروسیال معرفی شد، فرایند بهبود یافت، مایعاتی با ویژگی مغناطیسی زیاد سنتز شدند، مایعات حامل افزوده کشف شد، شیمی فیزیک توسط R.E.Rosensweig و همکارانش روشن شد و همچنین روزنسویگ شاخه جدیدی از مکانیک سیالات را با نام فروهیدرددینامیک توسعه بخشید که تحقیقات نظری بیشتری را دربارهٔ پدیده‌های فیزیکی در فروسیالات ایجاد کرد. ویژگی‌ها فروسیالات از ذرات بسیار ریزی در مقیاس نانو (معمولا قطرشان ۱۰ نانومتر یا کمتر است) از مگنتیت، هماتیت یا برخی از دیگر ترکیبات آهن و یک مایع تشکیل شده‌است. این اندازه برای تحریک حرارتی تا حد کافی کوچک است تا بتواند آن هارا یکسان درون مایع حامل پراکنده کند. این شبیه روشی است که یون‌های موجود در محلول نمک پارامغناطیس آبی (همانند محلول آبی سولفات مس(||)یا کلرید منگنز(|| محلول را از نوع مغناطیسی می‌سازد. ترکیب یک فروسیال معمولی از نظر حجم، حدود%۵ جامدات مغناطیسی، %۱۰ سورفاکتانت و%۸۵ حامل می‌باشد. ذرات موجود در فروسیالات در یک مایع پراکنده می‌شوند (اغلب از سورفاکتانت استفاده می‌شود) و بنابر این فروسیالات سوسپانسیون کلوئیدی هستند (موادی با خواص بیش از یک حالت ماده). این توانایی تغییر فازها با استفاده از یک میدان مغناطیسی سبب می‌شود تا فروسیالات به عنوان مهر و موم و روان‌کننده استفاده شوند. | ## بخش 2: فروسیال | فروسیالات حقیقی پایدار هستندو این بدان معنا است که ذرات جامد حتی در میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی تشکیل توده یا فاز جداگانه نمی‌دهند. اگرچه، سورفاکتانت‌ها با گذشت زمان درهم شکسته می‌شوند و در نهایت ذرات نانو تجمع می‌یابند و از هم جدا خواهند شد. فروسیالات در دمایی به اندازه کافی بالا، معروف به دمای کوری، خواص مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. ناپایداری در میدان عمودی وقتی این شاره در یک میدان مغناطیسی عمودی قوی (با مقادیر خاصی) قرار می‌گیرد، سطح آن به شکل الگوی منظمی از قله‌ها و دره‌ها در می‌آید. هنگام قرارگیری در این حالت و ایجاد دره‌ها و قله‌ها و کاهش انرژی مغناطیسی، برای بالارفتن بخش‌هایی از مایع از دره‌ها و هم چنین افزایش سطح سیال، انرژی ناشی از کشش سطحی و نیز انرژی پتانسیل گرانشی سامانه افزایش می‌یابد، اما به ازای یک شدت بحرانیِ میدان مغناطیسی اعمال شده، کاهش انرژی مغناطیسی بر افزایش انرژی‌های گرانشی و کشش سطحی غلبه می‌کند و انرژی کل سامانه کمینه و مطلوب می‌گردد.Andelman & Rosensweig p. 21 فروسیالات حساسیت مغناطیسی فوق‌العاده بالایی دارند و میدان مغناطیسی بحرانی برای شروع شکل‌گیری موجی توسط یک آهن‌ربای میله ای کوچک هم محقق می‌شود. سورفاکتانت‌های رایج در فروسیالات سورفاکتانت‌های صابونی مورد استفاده برای پوشاندن نانوذرات (محدود به موارد زیر نیست): اسید اولئیک تترا متیل آمونیوم هیدروکسید اسید سیتریک لسیتین این سورفاکتانت‌ها از تجمع نانوذرات جلوگیری می‌کنند و بنا بر این ذرات نمی‌توانند به شکل توده ای مغناطیسی در نزدیکی آهن‌ربا در آیند. ذرات موجود در یک فروسیال ایده‌آل، هرگز در معرض یک میدان مغناطیسی قوی نشست نخواهند کرد. یک سورفاکتانت دارای سر و دم به ترتیب قظبی و غیر قظبی (یا برعکس) است که یکی از آن‌ها به نانو ذره جذب می‌شود و بخش دیگر به ماده واسطه حامل ذرات متصل می شودو یک میسل معکوس یا منظم شکل می‌دهد. اگرچه سورفاکتانت‌ها در جلوگیری از نشست ذرات در فروسیالات سودمند هستند ولی از خواص مغناطیسی سیال (به ویژه اشباع مغناطیسی) جلوگیری می‌کنند. افزودن سورفاکتانت‌ها (هر ذره خارجی دیگر) موجب کاهش تراکم فشرده سازی فروذرات در حالت فعال شده می‌شود، بنابراین ویسکوزیته سیال را کاهش می‌دهد و یک مایع فعال "نرم تر" نتیجه می‌دهد. اگرچه ویسکوزیته("سختی" سیال فعال) در برخی از کاربردهای فروسیال نگران کننده نیست این یک ویژگی اصلی فروسیال در کاربردهای تجاری و صنعتی آن است و بنا بر این باید هنگام بررسی ویسکوزیته در برابر سرعت ته‌نشینی، سازش و توازنی ایجاد شود. کاربردها ابزارهای الکترونیکی از فروسیالات در تشکیل مهر و موم‌های مایع در اطراف شفت(محور)‌های محرک چرخشی در دیسک‌های سخت استفاده می‌شود. مقدار کمی از فروسیال در شکاف بین آهن‌ربا و شفت قرار می‌گیرد و با جاذبه آهن‌ربا در جای خود ثابت می‌شود. | ## بخش 3: فروسیال | اگر روی سطح یک آهن‌ربای به اندازه کافی قوی به کار برده شود، می‌تواند باعث سر خوردن آهن‌ربا در سطوح صاف با کمترین مقاومت شود. از فروسیالات می‌توان در میراگرهای نیمه فعال در کاربردهای مکانیکی و هوافضا استفاده کرد. در حالی که میراگرهای غیرفعال معمولاً حجیم تر هستند و برای یک منبع ارتعاش خاص طراحی شده اندو میراگرهای فعال انرژی بیشتری مصرف می می‌کنند، میراگرهای مبتنی بر فروسیالات هر دو مسئله را حل می‌کند و در جامعه هلیکوپترها که با اینرسی بزرگ و ارتعاشات آیرو دینامیکی سر و کار دارد، محبوب می‌شود. پژوهش‌های علم مواد با استفاده از تکنیک توسعه یافته توسط فرانسیس بیتر، می توان از فروسیالات برای تصویر برداری ساختارهای حوزه مغناطیسی در سطح مواد فرومغناطیسی استفاده کرد. بلند گوها از سال ۱۹۷۳، از فروسیالات دردر بلندگوها استفاده می‌شود تا گرما را از سیم پیچ صدا خارج کرده و حرکت مخروط را بدون مقاومت میرا کند. آن‌ها در شکاف هوای اطراف سیم پیچ صدا قرار دارند که توسط آهن‌ربای بلند گو نگه داشته می‌شوند. از آن جا که فروسیالات پارامغناطیسی هستند، از قانون کوری پیروی کرده و در دماهای بالاتر کمتر مغناطیسی می‌شوند. آهن‌ربای قوی ای که در نزدیکی سیم پیچ صدا قرار دارد (که گرما تولید می‌کند) فرومایعات سرد را بیشتر از فرومایعات گرم جذب می‌کند، درنتیجه فروسیال گرم شده را از سیم پیچ صدا دور می‌کند و به سمت یک چاه حرارتی(Heat sink) هدایت می‌کند. دانا هاتاوی در سال ۱۹۷۴ در حالی که از فروسیالات برای میرایی توییتر استفاده می‌کرد متوجه مکانیسم خنک سازی آن شد. پاناسونیک در سال ۱۹۷۹ اولین تولیدکننده آسیایی بود که از فروسیالات در بلندگوهای تجاری استفاده کرد. امروزه سالانه حدود ۳۰۰ میلیون مبدل تولیدکننده صدا با فروسیال کاربردی در ساخت آن تولید می‌شود. از جمله بلندگوهای نصب شده در لپ تاپ‌ها، تلفن‌های همراه، هدفون‌ها و ایر پادهاو .. جداسازی سلولی فروسیالات کاربردهایی در زمینه سلول درمانی، ژن درمانی، ساخت سلول و … دارند. | ## جمع‌بندی | در ساخت سیل‌های مکانیکی با سیال‌های مغناطیسی و همچنین در ساخت کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر نیز کاربرد دارند.