МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ
Удивительную жидкость, которая притягивается к магниту, образуя что-то вроде ежа, можно получить самостоятельно.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Строго говоря, к магнитному полю неравнодушны — притягиваются или отталкиваются — все вещества. Но на большинство оно действует настолько слабо, что это удается обнаружить только приборами. А можно ли усилить магнитные свойства материала? К примеру, инженеры давно мечтают о системах, которые позволили бы придать некоторым веществам или телам магнитные свойства, при этом абсолютно не разрушая их структуры и мало изменяя их исходные свойства. Наш рассказ о магнитных жидкостях.
Лет пятьдесят назад была запатентована оригинальная конструкция механической муфты — устройства для передачи вращения от одного вала к другому. Муфта содержала смесь железного порошка и масла. Под действием магнитного поля, создаваемого электрическим током, проходящим по катушке, жидкость «твердела», и тогда два вала начинали работать как единое целое. При отсутствии же поля крутящий момент не передавался. Все бы хорошо, не будь такая жидкость капризной: то в ней появлялись комки, то она вдруг не хотела твердеть. Потому магнитные порошковые муфты долго не находили применения (1).
Все изменилось, когда за дело взялись химики и создали устойчивые магнитные жидкости, обладающие хорошей текучестью. В них вводили столь мелкие магнитные частицы, что они никогда не оседали и не сбивались в комок.
Так что же это такое — магнитная жидкость?
Магнитные жидкости представляют собой коллоидные дисперсии магнитных материалов (ферромагнетиков: магнетита, ферритов) с частицами размером от 5 нанометров до 10 микрометров, стабилизированные в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводороды и силиконы) средах с помощью поверхностно-активных веществ или полимеров. Они сохраняют устойчивость в течение двух-пяти лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами (2).
Синтез магнитных жидкостей включает в себя стадии получения частиц очень малых размеров, их стабилизацию в соответствующей жидкости-носителе и испытание полученной дисперсии в гравитационном и магнитном полях.
Способов получения магнитных жидкостей много. Одни основаны на размельчении железа, никеля, кобальта до сотых долей микрона с помощью мельниц, дугового или искрового разряда, с применением сложной аппаратуры и ценой больших затрат труда. А поэтому мы предлагаем воспользоваться другим способом, который разработали отечественные ученые М. А. Лунина, Е. Е. Бибик и Н. П. Матусевич. Он подробно описан в конце статьи. А пока поговорим о вариантах практического применения магнитной жидкости.
Все они основаны на эффектах, которые никаким другим способом создать невозможно. Начнем с самого простого. Довольно часто разнообразные жидкости используются в технике для передачи силы или энергии. Например, ковш небольшого экскаватора приводится в действие давлением масла, поступающего в гидроцилиндры. Главные элементы гидравлической техники — краны, вентили, золотники и клапаны, способные в нужный момент прервать или, наоборот, разрешить течение жидкости. Хотя их делают уже давно, ни один кран надежным не назовешь: его детали подвержены износу. Магнитные жидкости могут перекрывать канал или регулировать расход жидкости, а также менять направление ее потока в трубопроводе (3).
В расширенную часть трубы при помощи внешнего магнита вводят и удерживают там магнитную жидкость. Она играет роль перекрывающего клапана: один канал закрыт, и жидкость по нему не протекает. Если с помощью магнита перевести магнитную жидкость в другой канал трубопровода и перекрыть его, освободится первый. Таким же образом можно регулировать поток жидкости в трубопроводе, предварительно установив на заданном участке трубы электромагнит и введя небольшое количество магнитной жидкости. Поскольку труба расположена вертикально, жидкая среда, накапливающаяся над магнитно-жидкостным клапаном, удерживается до определенного уровня. Как только он будет превышен, клапан под действием силы тяжести начнет отрываться и жидкость будет просачиваться вниз. Особенность устройства состоит в том, что после пробоя вниз проходит только избыточная часть жидкости, а определенный ее объем удерживается над клапаном.
А вот еще один вариант использования магнитных жидкостей. Инженеры считают, что автомобиль может обойтись без коробки передач, если на вал двигателя поставить маховик и кратковременно, сотни раз в секунду, подключать мотор к колесам. Однако все попытки создать такую систему (ее называют импульсной передачей) наталкивались на низкую долговечность переключающего устройства. Магнитно-жидкостные же муфты сцепления практически не изнашиваются и позволяют создать автомобиль с очень низким расходом топлива. Кроме того, магнитная жидкость на основе машинных масел или смазочно-охлаждающих материалов служит прекрасным герметизатором в различного рода уплотнениях, подшипниках трения и качения, сложных узлах станков и машин. Установленные по периметру уплотнения маленькие магниты не позволяют жидкости вытекать из зазора, и работоспособность устройства увеличивается в пять раз!
А преобразовать энергию колебательного движения в электрическую позволяет устройство, представляющее собой катушку, внутри которой находится ампула с магнитной жидкостью (4).
Малейший толчок или изменение наклона приводит к перетеканию жидкости, а значит, и к изменению магнитного потока. Катушка соединена с накопителем энергии (в данном случае — с конденсатором) через выпрямитель. Развиваемое напряжение зависит от числа витков катушки. Подобное устройство может снабжать энергией миниатюрный радиоприемник или электронные часы. Оно способно преобразовывать удары капель дождя по крыше в электрический ток и получать таким образом даровую энергию.
Явление плавания тяжелых тел под действием неоднородного магнитного поля, погруженных в магнитную жидкость, позволило использовать магнитные жидкости в горно-обогатительных процессах. Неоднородное магнитное поле приводит к уплотнению магнитной жидкости, вследствие чего всплывают немагнитные частицы высокой плотности — медные, свинцовые, золотые. Поскольку неоднородность магнитного поля легко изменять в широких пределах, можно заставить плавать частицы определенной плотности. Это стало основой для создания технологии магнитной сепарации руд по плотностям. Смесь частиц различной плотности падает на слой магнитной жидкости, висящий между полюсами электромагнита. Ток в электромагните можно подобрать так, чтобы легкие частицы смеси всплывали в магнитной жидкости, а тяжелые — тонули. Если установить полюса электромагнита наклонно, легкие частицы станут двигаться вдоль поверхности слоя и процесс разделения смеси станет непрерывным: тяжелые частицы провалятся сквозь слой магнитной жидкости и попадут в один приемник, а легкие частицы скатятся по ее поверхности в другой (5).
Когда обычные смазочно-охлаждающие жидкости и способы их подачи неприменимы, магнитные жидкости можно использовать в механизированном ручном инструменте, при работе на большой высоте, в замкнутом изолированном пространстве и других особых условиях. По механизму воздействия на процесс резания магнитные жидкости аналогичны смазочно-охлаждающим материалам, но в зону резания их можно подавать магнитным полем. Под его влиянием повышается смачиваемость и усиливается расклинивающее давление, интенсифицируется смазочное действие, так как улучшаются условия проникновения магнитной жидкости на поверхности контакта. Магнитные жидкости оказывают более сильное охлаждающее действие, так как по теплоемкости и теплопроводности превосходят все смазочно-охлаждающие материалы. При сверлении отверстий в титановых и алюминиевых сплавах немагнитная стружка, смазанная магнитной жидкостью, притягивалась к намагниченному сверлу и легко удалялась из отверстия. Это явление позволяет собирать остатки немагнитных металлов и абразивной пыли, образуемой при шлифовке поверхности.
Магнитные жидкости могут найти применение и в медицине. Противоопухолевые препараты, к примеру, вредны для здоровых клеток. Но если их смешать с магнитной жидкостью и ввести в кровь, а у опухоли расположить магнит, магнитная жидкость, а вместе с ней и лекарство сосредоточиваются у пораженного участка, не нанося вреда всему организму (6).
Магнитные коллоиды можно применять в качестве контрастного средства при рентгеноскопии. Обычно при рентгеноскопической диагностике желудочно-кишечного тракта пользуются кашицей на основе сернокислого бария. Если учесть, что коллоидные ферритовые частицы активно поглощают рентгеновские лучи, то можно говорить об использовании магнитных жидкостей в качестве рентгеноконтрастных веществ для диагностики полых органов. Все процедуры при этом существенно упрощаются.
А теперь выполняем обещание, данное в начале статьи, — даем рецепт водной магнитной жидкости (самой простой в изготовлении среди известных). Запаситесь аптечными весами с разновесами, двумя колбами, химическим стаканом, фильтровальной бумагой и воронкой, хорошим (желательно кольцевым — из динамика) магнитом, небольшой электрической плиткой и фарфоровым стаканчиком на 150-200 мл. Для получения качественной магнитной жидкости необходимо иметь маленькую настольную центрифугу. У вас под рукой должны быть соли двух-и трехвалентного железа, аммиачная вода (25%-ной концентрации), натриевая соль олеиновой кислоты (олеиновое мыло), индикаторная бумага фирмы «Лахема» и дистиллированная вода. Цифры приведены в расчете на 10 граммов твердой магнитной фазы (магнетита) магнитной жидкости.
Получив магнитную жидкость, раскрепостите свою фантазию. Придумайте с нею физический опыт, сделайте занимательную игрушку. Пришлите в редакцию рассказ о своей работе с цветными иллюстрациями. Самые интересные отчеты будут опубликованы. Желаем удачи!
Что такое магнитная жидкость
магнитная жидкость сокр., МЖ иначе феррожидкость (англ. magnetic fluid или magnetic liquid, ferrofluid) — устойчивая коллоидная система высокодисперсных ферро- или ферримагнитных частиц в жидкости-носителе.
Описание
Магнитные жидкости представляют собой коллоидные растворы высокодисперсных магнитных частиц размером от 5 до 50 нм, находящихся, как правило, в суперпарамагнитном, ферро- или ферримагнитном состояниях (частицы металлов, оксидов железа и пр.). МЖ обладают уникальным сочетанием текучести и способности взаимодействовать с магнитным полем. Свойства магнитной жидкости определяются совокупностью характеристик входящих в нее компонентов (твердой магнитной фазы, дисперсионной среды и стабилизатора), варьируя которые можно в довольно широких пределах изменять параметры МЖ.
Различают два вида магнитных жидкостей — ПАВ-содержащие МЖ и ионные МЖ, в которых стабилизация магнитных наночастиц происходит при помощи поверхностно-активных веществ или за счет поверхностного заряда, соответственно.
Процесс получения магнитной жидкости состоит из двух основных стадий: получения магнитных частиц нужного размера и стабилизации их в жидкой среде (жидкости-носителе). Основная сложность этого процесса состоит в том, что обе стадии должны быть совмещены во времени, чтобы предотвратить агрегацию частиц.
Магнитные жидкости на основе неполярных сред с размером частиц порядка 1 мкм называются магнитореологическими жидкостями. Их особенностью является резкое увеличение вязкости под воздействием магнитного поля, а в сильных полях они могут полностью «затвердевать». Данное свойство относит их к «умным» материалам с нелинейным откликом на внешнее воздействие.
Магнитные жидкости, благодаря необычному сочетанию свойств магнетиков, жидкостей и коллоидных растворов, являются перспективными материалами и находят применение в различных областях техники: при создании магнитножидкостных уплотнений в химической промышленности, в качестве магнитных смазок, в процессах магнитного обогащения немагнитных материалов, в системах охлаждения (например, феррожидкостного охлаждения звуковых катушек динамика), в биологии и медицине.
Иллюстрации
а — Поведение магнитной жидкости в магнитном поле. Автор: В. Я. Шур, Уральский государственный Университет.
б — Экспонаты выставки на Втором Международном Форуме по нанотехнологиям (немецкий сектор) — шприцы с магнитной жидкостью для гипертермии.
Автор
- Гольдт Анастасия Евгеньевна
Источники
- Макаров В.М., Калаева С. З., Шипилин А.М. и др. Переработка железосодержащих отходов с получением наночастиц для изготовления магнитной жидкости // Нанотехника. 2004. Т. 4, №12. С. 66–69.
- Scherer C. and Figueiredo Neto A. M. Ferrofluids: Properties and Applications // Brazilian J. Phys. 2005. V. 35. P. 718–727.
Связанные термины
- «умные» материалы
- гипертермия
- коллоидный раствор
- наночастица
- суперпарамагнетизм
- ферромагнетизм
- ферромагнетик
Разделы
- Искусственные (синтетические) низкоразмерные объекты
- Нанокристаллы и наночастицы (в том числе квантовые точки)
- Объекты традиционных технологий («нанопорошки», нанопористые материалы, золи, гели, эмульсии, наногетерогенные полимеры и т.д.)
Если у вас возникли замечания или предложения, пишите по адресу info@rusnano.com с пометкой в теме письма «Словарь».
По вопросу приобретения бумажной версии обращайтесь в издательство «Физматлит»
© АО «РОСНАНО», 2009—2024 www.rusnano.com
Группа РОСНАНО использует файлы cookies с целью повышения удобства пользования веб-сайтом.
Если вы не хотите использовать файлы cookies, измените настройки браузера. Продолжая пользоваться сайтом АО «РОСНАНО» Вы соглашаетесь с условиями пользовательского соглашения и даете согласие на обработку своих персональных данных.
Что такое магнитная жидкость
15 интересных фактов о магнитных жидкостях
Впервые разработанные НАСА для космической программы магнитные жидкости нашли свое место во многих аспектах современного мира. От использования в музыкальных клипах до акустических систем и МРТ-сканирования — магнитные жидкости сегодня повсюду вокруг нас.
Здесь мы рассмотрим, что они из себя представляют, как они работают.
Что такое магнитная жидкость?
Магнитные жидкости, согласно науке являются: «Коллоидные системы, состоящие из однодоменных магнитных наночастиц, диспергированных в жидкости-носителе, являются удобными модельными системами для исследования фундаментальных свойств магнитных наночастичных систем.» Эти жидкости, как правило, остаются в жидком состоянии, даже когда они контролируются, перемещаются или кинетически взаимодействуют с магнитным полем.
Традиционные методы приготовления магнитных жидкостей включают длительное измельчение магнитного материала стальными шариками в течение нескольких недель в среде-носителе, содержащей диспергирующий агент. В этих методах измельчения олеиновую кислоту обычно использовали для стабилизации дисперсий в керосине и других углеводородных дисперсионных средах. Эти жидкости не существуют в природе и впервые были созданы в середине 1960-х — 1970-х годов. Раннее приготовление этих странных материалов было довольно дорогостоящим и стоило около 85 долларов за мл. Эта высокая стоимость изначально сдерживала применение материала в материаловедении и минералогии. Но позже исследования, проведенные Горным бюро США с использованием магнетита в керосиновой суспензии, снизили цену около $1 за литр.
Один из примеров называется феррофлюид или ферромагнитная жидкость. Эта магнитная жидкость становится сильно намагниченной в присутствии магнитного поля и была впервые разработана НАСА в начале 1960-х годов. Он был разработан для поиска способа перемещения жидкого ракетного топлива на входе насоса в условиях низкой гравитации или невесомости.
Магнитные жидкости, например, феррожидкости, как правило, состоят из наноразмерных частиц, каждая из которых обычно покрывается поверхностно-активным веществом, чтобы предотвратить их скопление. Феррожидкости обычно теряют индуцированный магнетизм при удалении из внешнего магнитного поля. По этой причине они классифицируются как «суперпарамагниты». Однако в 2019 году команде исследователей из Массачусетского университета и Пекинского университета химических технологий удалось создать магнитную жидкость, которая может оставаться постоянно намагниченной. Этот прорыв бросил вызов устоявшейся вере в то, что только плотные твердые частицы с фиксированной формой способны на это свойство.
Как работают ферромагнитные жидкости?
Феррожидкости, как мы видели, содержат мельчайшие частицы окиси железа. Когда магнит притягивается близко к жидкости, эти частицы притягиваются к ней. Это обычно приводит к тому, что жидкость создает удивительные выглядящие иглы или шипы. Причина этого кроется в сложном взаимодействии различных сил. Частицы оксида железа притягиваются к магнитному полю, а также само магнитное поле притягивается к жидкости.
Частицы и масло работают вместе как единое целое благодаря наличию поверхностно-активного вещества. Один конец поверхностно-активного вещества плотно прилегает к частицам оксида железа, а другой также удерживает масло. Это предотвращает скопление и отделение частиц оксида железа от масляного носителя — как вы могли бы увидеть, если бы просто смешали частицы масла и частицы оксида железа. Из-за этого феррожидкость в целом направляется в концентрированные колонны. В то же время сила тяжести пытается оттянуть колонны вниз, в то время как поверхностное натяжение масла заставляет каждую колонку тянуть себя, создавая характерные иглы жидкости.
Вы можете прикоснуться к феррожидкости?
Конечно, можете, но это не рекомендуется. Феррожидкость считается основным раздражителем кожи. Как только Вы касаетесь феррожидкости пальцем, жидкость быстро начинает перемещаться вверх по гребням пальца и вокруг ногтя.
Это не только выглядит неприглядно, но и может и будет раздражать вашу кожу. Она также может надолго оставить на коже пятно.
15 фактов о магнитных жидкостях
Итак, без лишних слов, вот 15 фактов о чудесных материалах, которые являются магнитными жидкостями. Этот список далеко не исчерпывающий и не имеет определенного порядка.
1. Магнитные жидкости, а именно феррожидкости, были разработаны в 1960-х годах Стивом Папелем из НАСА, чтобы помочь перемещать ракетное топливо в условиях микрогравитации.
2. Когда эти жидкости подвергаются воздействию магнитного поля, они имеют тенденцию образовывать характерные шипы или иголки.
3. Большинство магнитных жидкостей не остаются намагниченными в отсутствие внешнего магнитного поля.
4. Феррожидкости обладают сильной окрашивающей способностью и могут окрашивать кожу, стекло и даже керамические поверхности.
5. Настоящая феррожидкость остается стабильной в течение длительного периода времени. Это происходит потому, что содержащиеся в них твердые частицы не агломерируются и не отделяются под действием силы тяжести.
6. Феррожидкости в настоящее время исследуются для лечения опухолей. Идея состоит в том, чтобы ввести их в опухоль и разорвать их на части с помощью магнитных полей.
7. Есть надежда, что магнитные жидкости могут помочь в разработке умных жидкостей в будущем. Такие жидкости могут изменять состояние между твердым и жидким по команде.
8. Некоторые феррожидкости были использованы в системах подвески автомобилей. Изменяя электрический ток через них, жидкость регулирует жесткость подвески в зависимости от условий вождения.
9. Магнитные жидкости становятся все более популярными в качестве художественной среды. В некоторых художественных и научных музеях есть специальные экспонаты, посвященные этим удивительным жидкостям.
10. Возможно, Вы также заметили феррожидкости более чем в нескольких музыкальных клипах. Например, группа Pendulum использовала феррожидкость для музыкального клипа к треку «Акварель».
11. Типичная феррожидкость состоит из 5% магнитных твердых тел, 10% поверхностно-активных веществ и 85% несущей жидкости.
12. Поверхностно-активные вещества имеют жизненно важное значение для феррожидкостей, поскольку они снижают поверхностное натяжение между жидкими и твердыми компонентами. Обычно для этой цели используют олеиновую кислоту, гидроксид тетраметиламмония, лимонную кислоту или соевый лецитин.
13. НАСА также экспериментировало с текучими железными жидкостями в замкнутом контуре с электромагнитами в качестве системы контроля высоты.
14. Магнитные жидкости, такие как феррожидкости, сегодня используются в различных технологиях. Применяются в громкоговорителях, компьютерных жестких дисках, двигателях с вращающимся валом и в качестве контрастного вещества для МРТ.
15. Феррожидкости не следует путать с магнитореологическими жидкостями. Последний состоит из частиц микрометрового масштаба, которые со временем осядут под действием силы тяжести.
Магнитные жидкости: ТЕХНОЛОГИЯ
Магнитные жидкости (МЖ) представляют собой уникальные системы, сочетающие в себе свойства магнитного материала и жидкости с возможностью управления реологическими, теплофизическими и оптическими характеристиками магнитным полем. Сочетание этих свойств, не встречающееся в известных природных материалах, открыло широкие перспективы для создания технических устройств с магнитной жидкостью в качестве рабочего тела.
Многолетний повышенный интерес к МЖ со стороны теоретиков и экспериментаторов, перспектива их широкого использования привели к тому, что к настоящему времени наука о магнитных жидкостях стала самостоятельной, чрезвычайно интересной и практически полезной областью исследований, находящейся на стыке физической химии коллоидов, физики магнитных явлений и магнитной гидродинамики. По мере изучения всего многообразия физико-химических свойств магнитных жидкостей и поведения МЖ при изменении внешних факторов спектр их практического применения в различных областях науки и техники расширяется, а потребность в стабильных магнитных жидкостях всё больше возрастает.
Что же такое магнитная жидкость? И так ли легко её синтезировать?
Магнитная жидкость представляет собой коллоидную систему однодоменных магнитных частиц (дисперсная фаза), диспергированных в жидкости-носителе (дисперсионная среда). При получении магнитной жидкости необходимо решить несколько задач:
– во-первых, необходимо получить частицы магнетиков размером не более 8 – 15 нм;
– во-вторых, необходимо покрыть частицы дисперсной фазы слоем молекул стабилизатора;
– в-третьих, стабилизатор должен не только предотвращать слипание частиц, но и обеспечивать образование устойчивой коллоидной системы однодоменных магнитных частиц, диспергированных в жидкости-носителе.
На бумаге все выглядит довольно просто, однако, любой химик, когда-либо занимавшийся синтезом магнитных жидкостей, знает, что создать устойчивую магнитную жидкость, которая не только завораживала бы взгляд, поражая своим поведением в магнитном поле, но и выполняла бы свои функции в конкретном устройстве – чрезвычайно сложная задача, если не сказать – проблема. Сложно представить, но для создания магнитных жидкостей необходимо взвесить твердые частицы с плотностью более 5 г/см 3 в жидкости-носителе с плотностью 1 г/см 3 или менее.
Универсального подхода к синтезу магнитных жидкостей на разных жидкостях-носителях нет. Разработчики магнитных жидкостей во всем мире используют собственные подходы к синтезу. Более того, каждый разработчик использует для синтеза магнитных жидкостей вещества, выпускаемые химической промышленностью той страны, в которой он работает. Эффективность технологий синтеза оценивается по достижению основных физических характеристик: коллоидальная стабильность в течение длительного времени, намагниченность насыщения, вязкость, диапазон рабочих температур. Стабильность свойств магнитной жидкости во времени – основной показатель её качества.
Нашей группе (ПНИЛ ПФГД) удалось разработать и воплотить в жизнь собственные оригинальные технологии синтеза магнитных жидкостей, которые не уступают по своим техническим характеристикам лучшим зарубежным аналогам, а по некоторым характеристикам (намагниченность насыщения, диапазон рабочих температур, срок эксплуатации) и превосходят их. На это потребовалось более 30 лет кропотливой работы.
В настоящее время мы выпускаем магнитные жидкости на основе:
– минеральных углеводородных масел;
– синтетических углеводородных масел;
– воды и других полярных носителей.
Для синтеза каждого типа магнитных жидкостей мы используем дифференцированный подход. Для достижения необходимого результата меняются технологические параметры синтеза; количество, последовательность и назначение стадий синтеза; специально подбираются комплексные поверхностно-активные вещества и т.д.
Все типы магнитных жидкостей прошли жесточайшие испытания на стендах; их стабильность проверена временем, а качество – работой в конкретных электромеханических устройствах. В зависимости от конкретного предложения мы синтезируем магнитные жидкости с необходимыми техническими характеристиками: намагниченностью насыщения, плотностью, вязкостью, диапазоном рабочих температур.
Перечень областей применения магнитных жидкостей может быть значительно расширен за счет изучения уникальных свойств наших МЖ. Поэтому мы призываем к взаимовыгодному сотрудничеству научно-исследовательские институты, конструкторские бюро, предприятия различных отраслей промышленности, а также всех заинтересованных в изучении и внедрении магнитных жидкостей лиц.
