Σιδηρορευστό

Ένα σιδηρορευστό (ferrofluid) (σύνθετη λέξη από το σιδηρομαγνητισμός και ρευστό) είναι ένα υγρό που γίνεται ισχυρά μαγνητισμένο παρουσία μαγνητικού πεδίου.
Το σιδηρορευστό ανακαλύφθηκε το 1963 από τον Στηβ Πάπελλ (Steve Papell) στη NASA ως ένα υγρό καύσιμο πυραύλου που μπορούσε να αντληθεί προς το στόμιο μιας αντλίας σε ένα αβαρές περιβάλλον εφαρμόζοντας μαγνητικό πεδίο. 
Τα σιδηρορευστά είναι κολλοειδή υγρά κατασκευασμένα από σιδηρομαγνητικά ή σιδηριμαγνητικά σωματίδια μεγέθους νανοκλίμακας που αιωρούνται σε έναν φορέα ρευστού (συνήθως οργανικό διαλύτη ή νερό). Κάθε μικροσκοπικό σωματίδιο καλύπτεται πλήρως με ένα επιφανειοδραστικό για να παρεμποδίσει τη συσσώρευση. Μεγάλα σιδηρομαγνητικά σωματίδια μπορούν να αφαιρεθούν από το ομογενές κολλοειδές μίγμα, σχηματίζοντας μια ξεχωριστή ομάδα από μαγνητική σκόνη όταν εκτίθενται σε ισχυρά μαγνητικά πεδία. Η μαγνητική έλξη των νανοσωματιδίων είναι αρκετά έτσι ώστε οι Δυνάμεις van der Waals του επιφανειοδραστικού να είναι αρκετές για να αποτρέψουν τη μαγνητική συσσώρευση. Τα σιδηρορευστά δεν διατηρούν συνήθως τη μαγνήτιση απουσία εξωτερικά εφαρμοζόμενου πεδίου και συνεπώς ταξινομούνται συχνά ως «υπερπαραμαγνήτες» παρά ως σιδηρομαγνήτες.
Η διαφορά μεταξύ σιδηρορευστών και μαγνητορεολογικών ρευστών (MR fluids) είναι στο μέγεθος των σωματιδίων. Τα σωματίδια σε ένα σιδηρορευστό αποτελούνται κυρίως από νανοσωματίδια που αιωρούνται με κίνηση Μπράουν και δεν καθιζάνουν γενικά κάτω από κανονικές συνθήκες. Τα σωματίδια ενός μαγνητορεολογικού ρευστού αποτελούνται κυρίως από σωματίδια της μικρομετρικού μεγέθους που είναι υπερβολικά βαριά για να τα κρατήσει η κίνηση Μπράουν σε αιώρηση και συνεπώς καθιζάνουν με τον χρόνο, λόγω της εγγενούς διαφοράς πυκνότητας μεταξύ των σωματιδίων και του φέροντος ρευστού. Ως αποτέλεσμα αυτά τα δύο ρευστά έχουν διαφορετικές εφαρμογές.

Περιγραφή

Τα σιδηρορευστά αποτελούνται από σωματίδια της νανοκλίμακας (η διάμετρος είναι συνήθως 10 νανόμετρα ή λιγότερο) του  μαγνητίτη, αιματίτη ή κάποιας άλλης ένωσης που περιέχει σίδηρο και ένα ρευστό. Αυτό είναι αρκετά μικρό έτσι ώστε η θερμική κίνηση να τα διασκορπίσει ομοιόμορφα μέσα σε ένα φέρον ρευστό και αυτά τα σωματίδια να συνεισφέρουν στη γενική μαγνητική απάντηση του ρευστού. Αυτό είναι παρόμοιο με τον τρόπο που τα ιόντα σε ένα υδατικό παραμαγνητικό διάλυμα άλατος (όπως ένα υδατικό διάλυμα του θειικού χαλκού ή του χλωριούχου μαγνησίου (ΙΙ)) καθιστούν το διάλυμα παραμαγνητικό. Η σύσταση ενός τυπικού σιδηρορευστού είναι κατ' όγκο περίπου: 5% μαγνητικά στερεά, 10% επιφανειοδραστικό και 85% φορέας.
Τα σωματίδια στα σιδηρορευστά διασκορπίζονται σε ένα υγρό, χρησιμοποιώντας συχνά μια επιφανειοδραστική ουσία, συνεπώς τα σιδηρορευστά είναι κολλοειδή αιωρήματα – υλικά με ιδιότητες περισσότερες από μία κατάσταση της ύλης. Σε αυτήν την περίπτωση, οι δύο καταστάσεις της ύλης είναι το στερεό μέταλλο και και το υγρό σε αυτό. Αυτή η ικανότητα αλλαγής φάσεων με την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου τους επιτρέπει να χρησιμοποιηθούν ως στεγανοποιητικά, λιπαντικά και ενδεχομένως την ανάπτυξη παραπέρα εφαρμογών στο μέλλον στα νανοηλεκτρομηχανικά συστήματα.
Τα πραγματικά σιδηρορευστά είναι σταθερά. Αυτό σημαίνει ότι τα στερεά σωματίδια δεν συσσωρεύονται ή δεν διαχωρίζονται σε φάσεις ακόμα σε ακραία ισχυρά μαγνητικά πεδία. Όμως, η επιφανειοδραστική ουσία τείνει να διασπαστεί με την πάροδο του χρόνου (μερικά χρόνια) και ενδεχομένως τα νανοσωματίδια θα συσσωρευτούν και θα διαχωριστούν και δεν θα συνεισφέρουν πια στη μαγνητική απόκριση του ρευστού.
Ο όρος μαγνητορεολογικό ρευστό (MRF) αναφέρεται σε υγρά παρόμοια με τα σιδηρορευστά (FF) που στερεοποιούνται παρουσία μαγνητικού πεδίου. Τα μαγνητορεολογικά ρευστά έχουν μαγνητικά σωματίδια στη μικρομετρική  κλίμακα που είναι από μία έως τρεις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερα από τα σιδηρορευστά.
Όμως, τα σιδηρορευστά χάνουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία, γνωστή ως Θερμοκρασία Κιρί.

Αστάθεια κάθετου πεδίου

Όταν ένα παραμαγνητικό ρευστό υπόκειται σε ένα ισχυρό κάθετο μαγνητικό πεδίο, η επιφάνεια σχηματίζει ένα κανονικό μοτίβο από κορυφές και κοιλάδες. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως η αστάθεια του κάθετου πεδίου (normal-field instability). Η αστάθεια καθοδηγείται από το μαγνητικό πεδίο· μπορεί να επεξηγηθεί εξετάζοντας ποιος χώρος του ρευστού ελαχιστοποιεί τη συνολική ενέργεια του συστήματος.
Από πλευράς μαγνητικής ενέργειας, οι κορυφές και οι κοιλάδες είναι ενεργειακά ευνοϊκές. Στην κυματοειδή διαμόρφωση, το μαγνητικό πεδίο συγκεντρώνεται στις κορυφές· επειδή το ρευστό μαγνητίζεται πιο εύκολα από τον αέρα, αυτό χαμηλώνει τη μαγνητική ενέργεια. Συνεπώς οι οξείες κορυφές του ρευστού βρίσκονται πάνω από τις γραμμές του πεδίου στο χώρο μέχρι να υπάρξει μια ισορροπία των δυνάμεων.
Ταυτόχρονα στο σχηματισμό των κορυφών και των κοιλάδων αντιστέκεται η βαρύτητα και η επιφανειακή τάση. Κοστίζει σε ενέργεια η μετακίνηση υγρού έξω από τις κοιλάδες και πάνω στις κορυφές, καθώς και η αύξηση της επιφάνειας του ρευστού. Εν συντομία, ο σχηματισμός των αυλακώσεων αυξάνει την επιφανειακή ελεύθερη επιφάνεια (surface free energy) και τη βαρυτική ενέργεια (gravitational energy) του ρευστού, αλλά μειώνει τη μαγνητική ενέργεια. Οι αυλακώσεις θα σχηματιστούν μόνο πάνω από την κρίσιμη μαγνητική ένταση του πεδίου, όταν η μείωση στη μαγνητική ενέργεια επικρατεί της αύξησης στους όρους της επιφανειακής και της βαρυτικής ενέργειας.
Τα σιδηρορευστά έχουν μια εξαιρετικά υψηλή μαγνητική επιδεκτικότητα και το κρίσιμο μαγνητικό πεδίο της εμφάνισης των αυλακώσεων μπορεί να πραγματοποιηθεί με ένα μικρό ραβδόμορφο μαγνήτη.

Ηλεκτρονικές συσκευές

Τα σιδηρορευστά χρησιμοποιούνται για να σχηματίσουν υγρά παρεμβύσματα γύρω από περιστρεφόμενους άξονες κίνησης σε σκληρούς δίσκους. Ο άξονας περιστροφής περιβάλλεται από μαγνήτες. Μια μικρή ποσότητα σιδηρορευστού, που τοποθετείται στο κενό μεταξύ του μαγνήτη και του άξονα, θα διατηρείται στη θέση του από την έλξη του προς τον μαγνήτη. Το ρευστό των μαγνητικών σωματιδίων σχηματίζει έναν εμπόδιο που αποτρέπει την είσοδο των υπολειμμάτων στο εσωτερικό του σκληρού δίσκου. Σύμφωνα με τους μηχανικούς της Ferrotec, τα σιδηρορευστά παρεμβύσματα αντέχουν συνήθως 3 με 4 psi στους περιστρεφόμενους άξονες· πρόσθετα παρεμβύσματα μπορούν να στοιβαχτούν για να σχηματίσουν διατάξεις που να αντέχουν μεγαλύτερες πιέσεις.

Μηχανολογία

Τα σιδηρορευστά έχουν ικανότητες μείωσης της τριβής. Αν εφαρμοστούν στην επιφάνεια ενός αρκετά ισχυρού μαγνήτη, όπως σε μαγνήτη που παρασκευάζεται από νεοδύμιο, μπορεί να προκαλέσει την ολίσθηση του μαγνήτη κατά μήκος ομαλών επιφανειών με ελάχιστη αντίσταση.
Τα σιδηρορευστά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε ημιενεργούς αποσβεστήρες σε μηχανικές και αεροδιαστημικές εφαρμογές. Αν και οι παθητικοί αποσβεστήρες είναι γενικά πιο ογκώδεις και σχεδιάζονται για συγκεκριμένη πηγή δόνησης, οι ενεργοί αποσβεστήρες καταναλώνουν περισσότερη ισχύ. Τα σιδηρορευστά με βάση τους αποσβεστήρες επιλύουν και τα δυο αυτά θέματα και γίνονται δημοφιλείς στην κοινότητα των ελικοπτέρων, που πρέπει να αντιμετωπίσει μεγάλες αδρανειακές και αεροδυναμικές δονήσεις.

Προώθηση διαστημοπλοίων

Τα σιδηρορευστά μπορούν να κατασκευαστούν έτσι ώστε να αυτοσυναρμολογούνται οξείες ακίδες νανομετρικής κλίμακας κάτω από την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου. Όταν φτάνουν σε κρίσιμη λεπτότητα, οι ακίδες αρχίζουν να εκπέμπουν πίδακες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον ως μηχανισμός προώθησης για μικρούς δορυφόρους όπως οι CubeSats.

Επιστήμη υλικών

Τα σιδηρορευστά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να απεικονίσουν δομές μαγνητικών περιοχών στην επιφάνεια σιδηρομαγνητικών υλικών χρησιμοποιώντας μια τεχνική που αναπτύχθηκε από τον Francis Bitter.

Αναλυτική οργανολογία

Τα σιδηρορευστά έχουν πολυάριθμες οπτικές εφαρμογές λόγω των διαθλαστικών τους ιδιοτήτων· δηλαδή, κάθε κόκκος, ενός μικρομαγνήτη, ανακλά το φως. Αυτές οι εφαρμογές περιλαμβάνουν τη μέτρηση του ειδικού ιξώδους ενός υγρού που είναι τοποθετημένο μεταξύ ενός πολωτή και ενός αναλυτή, που φωτίζεται από ένα λέιζερ ηλίου-νέου.

Ιατρικές εφαρμογές

Σχεδόν όλες οι εφαρμογές στην ιατρική χρησιμοποιούν την ακραία διαφορά σχετικού μεγέθους μεταξύ μαγνητικών νανοσωματιδίων και ζωντανών κυττάρων. Οι εφαρμογές που παρουσιάζονται σε αυτήν την ενότητα χρησιμοποιούν σιδηρορευστά που αποτελούνται από νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου που ονομάζονται SPION, συντόμευση για το superparamagnetic iron oxide nanoparticles (υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου).
Η πρώτη εφαρμογή είναι η μαγνητική στόχευση φαρμάκων (Magnetic drug targeting). Σε αυτήν τη διεργασία τα φάρμακα εγκλείονται από μια στρώση σιδηρορευστού με κάποιον τρόπο. Ο συνδυασμός αυτός εγχέεται σε μια περιοχή του σώματος του ασθενούς που απαιτεί τη θεραπεία με το φάρμακο. Το φάρμακο μπορεί τότε να διατηρηθεί στην επιθυμητή θέση με ένα μαγνητικό πεδίο και να του επιτραπεί να δράσει για μια χρονική περίοδο (περίπου 1 ώρα). Το πεδίο θα μπορούσε τότε να απενεργοποιηθεί και το φάρμακο θα μπορούσε να διαχυθεί μέσω του σώματος. Αυτή η διεργασία μπορεί να μειώσει δραστικά την αναγκαία δόση για τη θεραπεία σε ένα επίπεδο που δεν θα είχε αρνητικές παρενέργειες, μόλις ελευθερωνόταν το φάρμακο από το μαγνητικό πεδίο. Το κίνητρο πίσω από αυτόν τον τύπο θεραπείας είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί με φάρμακα με αρνητικές παρενέργειες, όπως στη χημειοθεραπεία.
Η δεύτερη εφαρμογή είναι μια πειραματική καρκινική θεραπεία που λέγεται στοχευμένη μαγνητική υποθερμία (targeted magnetic hyperthermia)]. Αυτή η διεργασία έχει ως πλεονέκτημα την ικανότητα των νανοσωματιδίων να μετατρέπουν την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια σε θερμική ενέργεια. Εδώ, το σιδηρορευστό εγχέεται σε έναν στοχευμένο ιστό, συνήθως έναν καρκινικό όγκο. Ένα ταλαντευόμενο μαγνητικό πεδίο εστιάζεται στην τοποθεσία, επιτρέποντας στο σιδηρορευστό να δονείται. Η δόνηση αυξάνει τη θερμική ενέργεια σε μια συχνότητα που δεν επιτρέπει στο περιβάλλον νερό να θερμανθεί. Το ρευστό μπορεί να φτάσει σε μια θερμοκρασία που σκοτώνει τα επιθυμητά κύτταρα χωρίς να προκαλεί ζημιά στον περιβάλλοντα ιστό.
Η τρίτη εφαρμογή χρησιμοποιείται ως ένας προχωρημένος παράγοντας αντίθεσης στη μαγνητική τομογραφία (MRI). Οι απεικονίσεις MRI εξαρτώνται από τη διαφορά στους χρόνους μαγνητικής χαλάρωσης των διαφόρων ιστών που παρέχουν την αντίθεση. Εάν βιοσυμβατά σιδηρορευστά μπορούν να απορροφηθούν επιλεκτικά από κάποιο είδος ιστού, τότε αυτοί οι ιστοί δεν θα έχουν κανονικά υψηλή διαχωριστότητα. Επίσης, η ανάπτυξη μιας μεθόδου για διάφορους ιστούς ώστε να προσλαμβάνει διάφορα ποσά σιδηρορευστού θα δώσει στους ιστούς δραστικά διαφορετικούς χρόνους χαλάρωσης και συνεπώς πολύ οξεία αντίθεση και υψηλή διαχωριστότητα. Ένα τέτοιο παράδειγμα που χρησιμοποιήθηκε σε δοκιμές περιλαμβάνει τη δεξτράνη καλυμμένη με σωματίδια οξειδίου του σιδήρου. Τα καλυμμένα σωματίδια γίνονται δεκτά από το δικτυοενδοθηλιακό σύστημα πολλών υγιών κυττάρων, αλλά όχι από τα καρκινικά κύτταρα. Αυτό μπορεί να επιτρέψει μια πολύ καλή διαχωριστότητα των καρκινικών κυττάρων.
Η τέταρτη εφαρμογή που περιγράφεται είναι μια διεργασία που λέγεται μαγνητικός διαχωρισμός κυττάρων. Σε αυτήν τη τεχνική τα μαγνητικά σωματίδια προσλαμβάνονται από μια επιθυμητή βιολογική οντότητα παρόμοια με την παραπάνω μέθοδο της μαγνητικής τομογραφίας. Έπειτα, μόλις τα σωματίδια κορεστούν μέσα σε ένα στοχευμένο ιστό, χρησιμοποιείται μια βαθμίδα μαγνητικού πεδίου για να απομακρύνει την οντότητα από το εγγενές περιβάλλον. Ένα παράδειγμα αυτής της διεργασίας με μεγάλη χρήση είναι ο διαχωρισμός του μυελού των οστών από καρκινικά τμήματα ενός δείγματος για την επανεμφύτευση του μυελού των οστών στο άτομο.

Μεταφορά θερμότητας

Ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται σε ένα σιδηρορευστό με μεταβαλλόμενη επιδεκτικότητα (π.χ., λόγω μιας βαθμίδας θερμοκρασίας) με αποτέλεσμα μια μη ομοιόμορφη μαγνητική δύναμη στο σώμα, που οδηγεί σε μια μορφή μεταφοράς θερμότητας που λέγεται θερμομαγνητική μεταφορά (thermomagnetic convection). Αυτή η μορφή μεταφοράς θερμότητας να είναι χρήσιμη όταν η συμβατική μεταφορά θερμότητας είναι ανεπαρκής· π.χ., σε μικροσκοπικές συσκευές μικροκλίμακας ή κάτω από συνθήκες μειωμένης βαρύτητας.
Τα σιδηρορευστά χρησιμοποιούνται συνήθως σε ηχεία για να αφαιρέσουν θερμότητα από το πηνίο φωνής (voice coil) και να αποσβέσουν παθητικά την κίνηση του κώνου. Βρίσκονται συνήθως εκεί που κανονικά θα ήταν το κενό του αέρα γύρω από το πηνίο φωνής, που διατηρείται στη θέση του από τον μαγνήτη του ηχείου. Επειδή τα σιδηρορευστά είναι παραμαγνητικά, υπακούν στον νόμο Κιουρί και συνεπώς γίνονται λιγότερο μαγνητικά σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Ένας ισχυρός μαγνήτης τοποθετημένος κοντά στο πηνίο φωνής (που παράγει θερμότητα) θα έλκει το ψυχρό σιδηρορευστό περισσότερο από το θερμό σιδηρορευστό εξαναγκάζοντας συνεπώς το θερμό σιδηρορευστό να απομακρύνεται από το ηλεκτρικό πηνίο φωνής και προς μια ψυκτική επιφάνεια. Αυτή είναι μια αποτελεσματική μέθοδος ψύξης που δεν απαιτεί πρόσθετη ενέργεια.
Σιδηρορευστά με κατάλληλη σύσταση μπορούν να εμφανίσουν πολύ μεγάλη βελτίωση στη θερμική αγωγιμότητα (k; ~300% της θερμικής αγωγιμότητας του ρευστού βάσης). Η μεγάλη βελτίωση στο k οφείλεται στην αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας μέσω των διεισδυτικών διαδρομών του νανοσωματιδίου. Ειδικά μαγνητικά νανορευστά με ρυθμίσιμη αναλογία θερμικής αγωγιμότητας ως προς ιξώδες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πολυλειτουργικά ‘έξυπνα υλικά’ που μπορούν να αφαιρούν θερμότητα και να εμποδίζουν επίσης δονήσεις (απόσβεση). Τέτοια ρευστά μπορούν να βρουν εφαρμογές σε συσκευές μικροροής και σε μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS).

Οπτική

Η αναζήτηση βρίσκεται καθ' οδόν για τη δημιουργία ενός σιδηρορευστού καθρέπτη από σιδηρορευστό για αστρονομικά οπτικά τηλεσκόπια με βάση τη γη.
Τα οπτικά φίλτρα χρησιμοποιούνται για να επιλέξουν διαφορετικά μήκη κύματος του φωτός. Η αντικατάσταση των φίλτρων είναι άβολη, ιδιαίτερα όταν το μήκος κύματος μεταβάλλεται συνεχώς με λέιζερ ρυθμίσιμου τύπου. Ρυθμίσιμα οπτικά φίλτρα για διαφορετικά μήκη κύματος με μεταβολή του μαγνητικού πεδίου μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας γαλακτώματα σιδηρορευστού.

Τέχνη

Μερικά μουσεία τέχνης και επιστήμης έχουν ειδικές συσκευές σε δημόσια θέα που χρησιμοποιούν μαγνήτες για να επιτύχουν τη κίνηση σιδηρορευστών γύρω από επιφάνειες ειδικού σχήματος σε ένα συντριβάνι για να διασκεδάζουν τους επισκέπτες. Η Sachiko Kodama είναι γνωστή για την τέχνη των σιδηρορευστών της.
Το αυστραλιανό συγκρότημα ηλεκτρονικής ροκ Pendulum χρησιμοποίησε σιδηρορευστό για τη μουσική του Watercolour. Ο οίκος σχεδίασης Krafted London ήταν υπεύθυνος για το σιδηρορευστό FX στο βίντεο. Το συγκρότημα Isis χρησιμοποιεί επίσης ένα σιδηρορευστό στη μουσική βίντεο για το 20 Minutes/40 Years.
Ο Martin Frey, ένας Γερμανός σχεδιαστής και τεχνολόγος, κατασκεύασε μια συσκευή σιδηρορευστού, την SnOil, με βάση τα εικονοστοιχεία το 2005. Η συσκευή αποτελείται από έναν πίνακα 12×12 ηλεκτρομαγνητών, που επιτρέπει στη συσκευή να εμφανίσει κείμενο και να εκτελέσει απλά παιχνίδια.
Η CZFerro, μια αμερικάνικη εταιρεία τέχνης, άρχισε να χρησιμοποιεί σιδηρορευστά στις παραγωγές της το 2008. Τα έργα αποτελούνται από σιδηρορευστά που εμφανίζονται σε ένα μοναδικό αιωρούμενο διάλυμα. Αυτά τα έργα χρησιμοποιούνται συχνά ως θέματα συζήτησης για γραφεία και κατοικίες.