Феррожидкость - Ferrofluid

Феррожидкость на стекле с магнитом под ним
Стив Папелл изобрел феррожидкость для НАСА в 1963 году.
Часть серии по
Механика сплошной среды
Реология
Умные жидкости

Феррожидкость - это жидкость, которая притягивается к полюсам магнит.

Процесс изготовления феррожидкости был изобретен в 1963 году НАСА. Стив Папелл создать жидкость ракетное горючие которые можно было бы направить к топливному насосу в невесомой среде, приложив магнитное поле.[1] Было введено название феррожидкость, усовершенствован процесс, синтезированы более сильномагнитные жидкости, обнаружены дополнительные жидкости-носители, а физическая химия разъяснена Р. Э. Розенсвейгом и его коллегами. Вдобавок Розенсвейг развил новую ветвь механики жидкости, названную феррогидродинамикой, которая дала толчок дальнейшим теоретическим исследованиям интригующих физических явлений в феррожидкостях.[2][3][4][5]

Феррожидкости коллоидный жидкости из наноразмер ферромагнитный, или же ферримагнитный, частицы, взвешенные в перевозчик жидкость (обычно органический растворитель или вода). Каждая магнитная частица тщательно покрыта поверхностно-активное вещество для предотвращения комкования. Большие ферромагнитные частицы могут вырываться из однородной коллоидной смеси, образуя отдельный комок магнитной пыли при воздействии сильных магнитных полей. Магнитное притяжение крошечных наночастицы достаточно слабый, чтобы поверхностно-активное вещество Сила Ван-дер-Ваальса достаточно для предотвращения магнитного комкования или агломерация. Феррожидкости обычно не удерживают намагничивание в отсутствие внешнего поля и поэтому часто классифицируются как «суперпарамагнетики», а не как ферромагнетики.[6] В 2019 году исследователи из Массачусетский университет и Пекинскому химико-технологическому университету удалось создать феррожидкость с постоянным магнитом, которая сохраняет свой магнетизм при удалении внешнего магнитного поля. Исследователи также обнаружили, что магнитные свойства капли сохраняются, даже если форма была физически изменена или она была разделена.[7]

В отличие от феррожидкостей, магнитореологические жидкости (Жидкости MR) - это магнитные жидкости с более крупными частицами. То есть феррожидкость содержит в основном наночастицы, в то время как жидкость MR содержит в основном частицы микрометрового размера. Частицы феррожидкости: приостановленный к Броуновское движение и, как правило, не оседает при нормальных условиях, в то время как частицы в жидкости MR слишком тяжелы, чтобы быть взвешенными в результате броуновского движения. Следовательно, частицы в жидкости MR будут оседать со временем из-за внутренней разницы плотности между частицами и их жидкостью-носителем. В результате феррожидкости и жидкости MR имеют очень разные применения.

Описание

Р. Э. Розенсвейг с феррожидкостью в своей лаборатории (1965 г.)

Феррожидкости состоят из очень крошечных наноразмерных частиц (диаметр обычно 10 нанометров или меньше) магнетит, гематит или какое-либо другое соединение, содержащее утюг, и жидкость. Этого достаточно для того, чтобы тепловое перемешивание могло равномерно распределить их в жидкости-носителе и внести свой вклад в общий магнитный отклик жидкости. Это похоже на то, как ионы в водной парамагнитный солевой раствор (например, водный раствор сульфат меди (II) или же хлорид марганца (II) ) делают раствор парамагнитным. Состав типичной феррожидкости составляет около 5% магнитных твердых частиц, 10% поверхностно-активное вещество и 85% носителя по объему.[8]

Частицы в феррожидкостях диспергируются в жидкости, часто с использованием поверхностно-активное вещество, и, таким образом, феррожидкости коллоидные суспензии - материалы со свойствами более чем одного состояния вещества. В этом случае материя имеет два состояния: твердый металл и жидкость, в которых она находится.[9] Эта способность изменять фазы с помощью магнитного поля позволяет использовать их в качестве уплотнения, смазочные материалы, и может открыть новые приложения в будущем наноэлектромеханические системы.

Настоящие феррожидкости стабильны. Это означает, что твердые частицы не агломерируются и не разделяются на фазы даже в очень сильных магнитных полях. Однако поверхностно-активное вещество имеет тенденцию разрушаться со временем (несколько лет), и в конечном итоге наночастицы будут агломерироваться, отделяться и больше не вносить вклад в магнитный отклик жидкости.

Период, термин магнитореологическая жидкость (MRF) относится к жидкостям, подобным феррожидкости (FF), которые затвердевают в присутствии магнитного поля. Магнитореологические жидкости имеют микрометр масштабные магнитные частицы, которые на один-три порядка больше, чем у феррожидкостей.

Однако феррожидкости теряют свои магнитные свойства при достаточно высоких температурах, известных как Температура Кюри.

Неустойчивость нормального поля

Феррожидкость - это маслянистое вещество, которое собирается на полюсах магнита, который находится под белой тарелкой.[требуется разъяснение ]

Когда парамагнитная жидкость подвергается сильному вертикальному магнитное поле поверхность образует правильный узор из пиков и впадин. Этот эффект известен как Rosensweig или же нестабильность нормального поля. Неустойчивость вызвана магнитным полем; это можно объяснить, учитывая, какая форма жидкости сводит к минимуму общую энергию системы.[10]

С точки зрения магнитная энергия, пики и спады энергетически выгодны. В гофрированной конфигурации магнитное поле сосредоточено в пиках; поскольку жидкость намагничивается легче, чем воздух, это снижает магнитную энергию. Как следствие, всплески жидкости перемещаются по силовым линиям в космос, пока не произойдет баланс задействованных сил.[11]

В то же время образованию пиков и впадин препятствует сила тяжести и поверхностное натяжение. Требуется энергия как для перемещения жидкости из впадин и вверх в выступы, так и для увеличения площади поверхности жидкости. Таким образом, образование гофр увеличивает поверхностная свободная энергия и гравитационная энергия жидкости, но снижает магнитную энергию. Гофры будут образовываться только выше критического значения магнитного поля. напряженность поля, когда уменьшение магнитной энергии перевешивает увеличение поверхностной энергии и энергии гравитации.[12]

Моделирование феррожидкости для различных параметров поверхностного натяжения и напряженности магнитного поля

Феррожидкости имеют исключительно высокий магнитная восприимчивость а критическое магнитное поле для появления гофр можно реализовать с помощью небольшого стержневого магнита.

Макрофотография феррожидкости под воздействием магнита.

Обычные поверхностно-активные вещества на основе феррожидкости

Мыльный поверхностно-активные вещества используемые для покрытия наночастиц, включают, но не ограничиваются:

Эти поверхностно-активные вещества предотвращают слипание наночастиц вместе, чтобы частицы не выпадали из суспензии или не слипались в кучу магнитной пыли вблизи магнита. Магнитные частицы в идеальной феррожидкости никогда не оседают, даже под воздействием сильного магнитного поля. Поверхностно-активное вещество имеет полярный голова и неполярный хвост (или наоборот), один из которых адсорбирует к наночастице, в то время как неполярный хвост (или полярная головка) торчит в несущую среду, образуя обратный или регулярный мицелла соответственно вокруг частицы. электростатическое отталкивание предотвращает агломерацию частиц.

Хотя поверхностно-активные вещества полезны для увеличения скорости осаждения в феррожидкостях, они также ухудшают магнитные свойства жидкости (в частности, ее магнитное насыщение ). Добавление поверхностно-активных веществ (или любых других посторонних частиц) снижает плотность упаковки феррочастиц в активированном состоянии, тем самым уменьшая открытое состояние жидкости. вязкость, в результате получается более «мягкая» активированная жидкость. В то время как вязкость в открытом состоянии («твердость» активированной жидкости) не так важна для некоторых применений феррожидкости, это основное свойство жидкости для большинства их коммерческих и промышленных применений, и поэтому при рассмотрении вязкость в открытом состоянии в зависимости от скорости осаждения феррожидкости.

Феррожидкость в магнитное поле демонстрируя нестабильность нормального поля, вызванную неодимовый магнит под блюдом

Приложения

Действительный

Электронные устройства

Основная статья: Феррожидкостное уплотнение

Феррожидкости используются для образования жидкости уплотнения вокруг вращающихся приводных валов в жесткие диски. Вращающийся вал окружен магнитами. Небольшое количество феррожидкости, помещенное в зазор между магнитом и валом, будет удерживаться на месте за счет своего притяжения к магниту. Жидкость магнитных частиц образует барьер, который предотвращает попадание мусора внутрь жесткого диска. По словам инженеров Ferrotec, феррожидкостные уплотнения на вращающихся валах обычно выдерживают от 3 до 4 фунтов на квадратный дюйм;[нужна цитата ] дополнительные уплотнения могут быть уложены друг на друга, образуя узлы, способные выдерживать более высокие давления.

Машиностроение

Феррожидкости имеют трение -снижающие возможности. При нанесении на поверхность достаточно сильного магнита, например, сделанного из неодим, это может заставить магнит скользить по гладкой поверхности с минимальным сопротивлением.

Феррожидкости также могут использоваться в полуактивных амортизаторах в механических и аэрокосмических приложениях. В то время как пассивные амортизаторы обычно более громоздкие и рассчитаны на конкретный источник вибрации, активные амортизаторы потребляют больше энергии. Амортизаторы на основе феррожидкости решают обе эти проблемы и становятся популярными в вертолетном сообществе, которому приходится иметь дело с большими инерционными и аэродинамическими колебаниями.

Материаловедческие исследования

Феррожидкости могут быть использованы для изображения магнитных доменных структур на поверхности ферромагнитных материалов с использованием техники, разработанной Фрэнсис Биттер.[13]

Музыкальные колонки

Начиная с 1973 г., феррожидкости используются в музыкальные колонки снять тепло с звуковая катушка, и пассивно влажный движение конуса. Они находятся в том месте, где обычно находится воздушный зазор вокруг звуковой катушки, удерживаемый магнитом динамика. Поскольку феррожидкости парамагнитны, они подчиняются Закон Кюри и, таким образом, становятся менее магнитными при более высоких температурах. Сильный магнит, расположенный рядом со звуковой катушкой (который выделяет тепло), будет притягивать холодную феррожидкость больше, чем горячую, таким образом, оттягивая нагретую феррожидкость от электрической звуковой катушки в направлении радиатор. Это относительно эффективный метод охлаждения, не требующий дополнительных затрат энергии.[14]

Боб Берковиц из Акустические исследования начал изучать феррожидкость в 1972 году, используя ее для гашения резонанса твитера. Дана Хэтэуэй из Epicure в Массачусетсе в 1974 году использовала феррожидкость для демпфирования твитера, и он заметил механизм охлаждения. Фред Беккер и Лу Мелилло из Becker Electronics также были первыми последователями в 1976 году, когда Мелилло присоединился к Ferrotec и опубликовал статью в 1980 году.[15] В концертном звуке, Showco начал использовать феррожидкость в 1979 году для охлаждения вуферов.[16] Panasonic был первым азиатским производителем, который применил феррожидкость в коммерческих громкоговорителях в 1979 году. В начале 1980-х эта область быстро росла. Сегодня около 300 миллионов звукопоглощающих преобразователей в год производятся с феррожидкостью внутри, включая динамики, установленные в ноутбуках, сотовых телефонах, наушниках и наушниках.[17]

Разделение клеток

Феррожидкости, конъюгированные с антителами или обычными захватывающими агентами, такими как Стрептавидин (SA) или крысиный антимышиный Ig (RAM) используются в Иммуномагнитная сепарация, подмножество Сортировка ячеек.[18] Эти конъюгированные феррожидкости используются для связывания с клетками-мишенями, а затем магнитного отделения их от смеси клеток с использованием низкоградиентного магнитного сепаратора. Эти феррожидкости имеют такие применения, как Клеточная терапия, Генная терапия, Сотовое производство, среди прочего.

Бывший

Медицинские приложения

Несколько феррожидкостей были проданы для использования в качестве контрастные вещества в магнитно-резонансная томография, которые зависят от разницы времен магнитной релаксации разных тканей для обеспечения контраста.[19][20] Несколько агентов были введены, а затем сняты с рынка, в том числе Feridex I.V. (также известные как Endorem и ferumoxides, производство прекращено в 2008 году;[21] резовист (также известный как Cliavist (с 2001 по 2009);[22] Sinerem (также известный как Combidex, снят с продажи в 2007 г .;[23] Lumirem (также известный как Gastromark (1996 г.[24] до 2012 г .;[25][26] Кларискан (также известный как ПЭГ-феро, Ферулоза и NC100150), разработка которого была прекращена из соображений безопасности.[27]

Будущее

Движение космического корабля

Дальнейшая информация: Движение космического корабля

Феррожидкости можно заставить самостоятельно собирать игольчатые острые наконечники нанометрового размера под действием магнитного поля. Когда они достигают критической толщины, иглы начинают испускать струи, которые могут быть использованы в будущем в качестве движителя для движения небольших спутников, таких как CubeSats.[28]

Аналитическое оборудование

Феррожидкости имеют множество оптический приложений из-за их преломляющий характеристики; то есть каждое зерно, микромагнит, отражает свет. Эти приложения включают измерение удельная вязкость жидкости, помещенной между поляризатор и анализатор, освещенный гелий-неоновый лазер.[29]

Медицинские приложения

Феррожидкости были предложены для магнитного нацеливания лекарств. В этом процессе лекарства будут прикреплены к феррожидкости или заключены в нее, и их можно будет направлять и избирательно высвобождать с помощью магнитных полей.[30]

Это также было предложено для целевых магнитная гипертермия преобразовывать электромагнитную энергию в тепло.[31]

Также было предложено в форме нанохирургии отделить одну ткань от другой - например, опухоль от ткани, в которой она выросла.[19]

Теплопередача

Внешнее магнитное поле, наложенное на феррожидкость с различной восприимчивостью (например, из-за градиента температуры), приводит к неоднородной силе магнитного тела, что приводит к форме теплопередача называется термомагнитная конвекция. Эта форма теплопередачи может быть полезна, когда обычная конвекционная теплопередача неадекватна; например, в миниатюрных микромасштабных устройствах или под пониженная гравитация условия.

Феррожидкости подходящего состава могут демонстрировать чрезвычайно большое увеличение теплопроводности (k; ~ 300% теплопроводности базовой жидкости). Большое увеличение k связано с эффективным переносом тепла через просачивающиеся пути наночастиц. Специальные магнитные наножидкости с регулируемым соотношением теплопроводности и вязкости могут использоваться в качестве многофункциональных «интеллектуальных материалов», которые могут отводить тепло, а также задерживать вибрации (демпфер). Такие жидкости могут найти применение в микрофлюидных устройствах и микроэлектромеханических системах (МЭМС ).[32]

Оптика

Ведутся исследования по созданию адаптивная оптика изменяющее форму магнитное зеркало из феррожидкости для астрономических телескопы.[33]

Оптические фильтры используются для выбора различных длин волн света. Замена фильтров обременительна, особенно когда длина волны изменяется непрерывно с помощью лазеров перестраиваемого типа. Оптические фильтры, настраиваемые на разные длины волн за счет изменения магнитного поля, могут быть созданы с использованием феррожидкостной эмульсии.[34]

Сбор энергии

Феррожидкости открывают интересную возможность для сбора энергии вибрации из окружающей среды. Существующие методы улавливания низкочастотных (<100 Гц) колебаний требуют использования твердых резонансных структур. Благодаря феррожидкости конструкции энергохарвестеров больше не нужны. Одним из простых примеров сбора энергии на основе феррожидкости является размещение феррожидкости внутри контейнера для использования внешних механических колебаний для выработки электричества внутри катушки, обернутой вокруг контейнера, окруженного постоянным магнитом.[35] Сначала феррожидкость помещается в контейнер, обернутый катушкой с проволокой. Затем феррожидкость намагничивается извне с помощью постоянного магнита. Когда внешние вибрации вызывают разбрызгивание феррожидкости в контейнере, происходит изменение полей магнитного потока по отношению к катушке с проводом. Через Закон электромагнитной индукции Фарадея в катушке с проволокой возникает напряжение из-за изменения магнитного потока.[35]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Патент США № 3215572, поданный 9 октября 1963 г. https://www.google.com/patents/US3215572
  2. ^ Rosensweig, R.E. (1997), Феррогидродинамика, Dover Books on Physics, Courier Corporation, ISBN  9780486678344
  3. ^ Шлиомис, Марк И. (2001), "Феррогидродинамика: проверка третьего уравнения намагниченности", Физический обзор, 64 (6): 060501, arXiv:cond-mat / 0106415, Bibcode:2001PhRvE..64f0501S, Дои:10.1103 / PhysRevE.64.060501, PMID  11736163, S2CID  37161240
  4. ^ Голлвитцер, Кристиан; Крехова, Марина; Латтерманн, Гюнтер; Реберг, Инго; Рихтер, Рейнхард (2009), «Поверхностные нестабильности и магнитное мягкое вещество», Мягкая материя, 5 (10): 2093, arXiv:0811.1526, Bibcode:2009SMat .... 5.2093G, Дои:10.1039 / b820090d, S2CID  17537054
  5. ^ Сингх, Чамкор; Das, Arup K .; Дас, Прасанта К. (2016), "Эффект релаксации намагниченности в потоке в полости феррожидкости, ограничивающий поток и снижающий сдвиг", Физика жидкостей, 28 (8): 087103, Bibcode:2016ФФл ... 28х7103С, Дои:10.1063/1.4960085
  6. ^ Voit, W .; Kim, D. K .; Запка, З .; Мухаммед, М .; Рао, К. В. (21 марта 2011 г.). «Магнитное поведение покрытых суперпарамагнитных наночастиц оксида железа в феррожидкостях». MRS Proceedings. 676. Дои:10.1557 / PROC-676-Y7.8.
  7. ^ Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (18 июля 2019 г.). «Новые законы притяжения: ученые печатают магнитные капли жидкости». Phys.org. Получено 2019-07-19.
  8. ^ Хельменстин, Энн Мари. «Как сделать жидкие магниты». ThoughtCo. Получено 2018-07-09.
  9. ^ "Список словаря". education.jlab.org. Получено 2018-07-09.
  10. ^ Андельман и Розенсвейг, 2009 г. С. 20–21.
  11. ^ Андельман и Розенсвейг, 2009 г., стр. 21, 23; Рис. 11.
  12. ^ Андельман и Розенсвейг, 2009 г., стр.21.
  13. ^ Ми, CD (1950-08-01). «Механизм коллоидной агломерации в образовании горьких узоров». Труды физического общества, раздел А. 63 (8): 922. Bibcode:1950PPSA ... 63..922M. Дои:10.1088/0370-1298/63/8/122. ISSN  0370-1298.
  14. ^ Рлумс, Элмарс (1995). «Новые применения процессов тепломассопереноса в термочувствительных магнитных жидкостях» (PDF). Бразильский журнал физики. 25 (2).
  15. ^ Мелилло, Л. и Радж, К. (1980). «Феррожидкости как средство управления параметрами конструкции вуфера», Журнал Общества звукорежиссеров, Volume 29, No. 3, March 1981, pp. 132–139.
  16. ^ Бесплатно, Джон (июнь 1979 г.). «Магнитные жидкости». Популярная наука. п. 61.
  17. ^ https://www.czferro.com/ferrofluid-history
  18. ^ https://biomagneticsolutions.com/pages/ferrofluid
  19. ^ а б Scherer, C .; Фигейредо Нето, А. М. (2005). «Феррожидкости: свойства и применение» (PDF). Бразильский журнал физики. 35 (3A): 718–727. Bibcode:2005BrJPh..35..718S. Дои:10.1590 / S0103-97332005000400018.
  20. ^ Ван, YX (декабрь 2011 г.). «Контрастные вещества для МРТ на основе суперпарамагнитного оксида железа: текущий статус клинического применения». Количественная визуализация в медицине и хирургии. 1 (1): 35–40. Дои:10.3978 / j.issn.2223-4292.2011.08.03. ЧВК  3496483. PMID  23256052.
  21. ^ «Феридекс - Продукция - AMAG Pharmaceuticals». Amagpharma.com. Архивировано из оригинал на 2012-06-15. Получено 2012-06-20.
  22. ^ Softways. «Магнитно-резонансный ТИП - База данных МРТ: Ресовист». Mr-tip.com. Получено 2012-06-20.
  23. ^ «AMAG Pharmaceuticals, Inc. объявляет о последних новостях о Sinerem (TM) в Европе. - Бесплатная онлайн-библиотека». Thefreelibrary.com. 2007-12-13. Получено 2012-06-20.
  24. ^ «Недавно одобренные лекарственные препараты (105) GastroMARK, Advanced Magnetics». CenterWatch. Получено 2012-06-20.
  25. ^ «Форма 10-K AMAG за финансовый год, закончившийся 31 декабря 2013 г.». ТРЦ Эдгар.
  26. ^ «NDA 020410 для GastroMark». FDA. Получено 12 февраля 2017.
  27. ^ Ван, И-Сян Дж. (2011). «Контрастные вещества для МРТ на основе суперпарамагнитного оксида железа: текущий статус клинического применения». Количественная визуализация в медицине и хирургии. 1 (1): 35–40. Дои:10.3978 / j.issn.2223-4292.2011.08.03. ЧВК  3496483. PMID  23256052.
  28. ^ Раваль, Сиддхарт (17 октября 2013 г.). «Новые двигатели, разрабатываемые для наноспутников». Журнал космической безопасности. Получено 2018-07-09.
  29. ^ Пай, Чинтамани; Шалини, М; Радха, S (2014). «Переходное оптическое явление в феррожидкостях». Разработка процедур. 76: 74–79. Дои:10.1016 / j.proeng.2013.09.250.
  30. ^ Кумар, CS; Мохаммад, Ф (14 августа 2011 г.). «Магнитные наноматериалы для терапии на основе гипертермии и контролируемой доставки лекарств». Расширенные обзоры доставки лекарств. 63 (9): 789–808. Дои:10.1016 / j.addr.2011.03.008. ЧВК  3138885. PMID  21447363.
  31. ^ Кафруни, L; Савадого, О. (декабрь 2016 г.). «Последние достижения в области магнитных наночастиц для магнитной гипертермии». Прогресс в биоматериалах. 5 (3–4): 147–160. Дои:10.1007 / s40204-016-0054-6. ЧВК  5304434. PMID  27995583.
  32. ^ Shima, P.D .; Филипп, Джон (2011). «Настройка теплопроводности и реологии наножидкостей с помощью внешнего стимула». Журнал физической химии C. 115 (41): 20097. Дои:10.1021 / jp204827q.
  33. ^ Хехт, Джефф (7 ноября 2008 г.). «Морфирующее зеркало может очистить небо для астрономов». Новый ученый.
  34. ^ Филипп, Джон; Джайкумар, Т; Кальянасундарам, П; Радж, Балдев (2003). «Настраиваемый оптический фильтр». Измерительная наука и техника. 14 (8): 1289. Bibcode:2003MeScT..14.1289P. Дои:10.1088/0957-0233/14/8/314.
  35. ^ а б Bibo, A .; Masana, R .; King, A .; Li, G .; Дакак, М.Ф. (Июнь 2012 г.). «Электромагнитный комбайн на основе феррожидкости». Письма о физике A. 376 (32): 2163–2166. Bibcode:2012ФЛА..376.2163Б. Дои:10.1016 / j.physleta.2012.05.033.

Библиография

  • Анделман, Дэвид; Розенсвейг, Рональд Э. (2009). «Феноменология модулированных фаз: от магнитных тел и жидкостей до органических пленок и полимеров». В Цори, Йоав; Штайнер, Ульрих (ред.). Полимеры, жидкости и коллоиды в электрических полях: межфазные нестабильности, ориентация и фазовые переходы. Полимеры. С. 1–56. Bibcode:2009plce.book ..... T. Дои:10.1142/7266. ISBN  978-981-4271-68-4.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Бергер, Патрисия; Николас Б. Адельман; Кэти Дж. Бекман; Дин Дж. Кэмпбелл; Эллис, Артур Б .; Лисенский, Джордж К. (1999). «Приготовление и свойства водной феррожидкости». Журнал химического образования. 76 (7): 943–948. Bibcode:1999JChEd..76..943B. Дои:10.1021 / ed076p943. ISSN  0021-9584.

внешняя ссылка