فِروسَیّال چیست؟
فِروسَیّال چیست؟
فِروسَیّال چیست؟
مترجم : حمید وثیق زاده انصاری
منبع : راسخون
منبع : راسخون
ferrofluid یا فروسیال مایعی است با ذرات بسیار ریز مغناطیسی ( عمدتاً آهنی ) به صورت کلوئیدیِ پایدار و چسبیده به مولکولهای مایعِ حامل. در آزمایشهای مربوط به تفنگ ریلی و دیامغناطیسم، مولکولهای هوا که دوقطبیهای مغناطیسی ریزی هستند به دلیل جذب شدن به نواحی دارای میدان مغناطیسی شدیدتر و در نتیجه ازدیاد فشار هوا در آن نواحی نسبت به نواحی مجاور نقش بارزی ایفا مینمایند. به عبارتی این آزمایشها اهمیت وجود سیالی حاوی دوقطبیهای ریز و جوش خورده با دیگر مولکولهای سیال را نشان میدهد. همین ایده انگیزهی ساخت مصنوعی چنین سیالی است که در آن به جای مولکولهای هوا از ذرات بسیار ریز آهنی که از لحاظ مغناطیسی بسیار قویتر از مولکولی از هوا هستند استفاده میشود. چنین سیالی همان فِروسَیّال (یا ferrofluid) میباشد.
غالباً در فرایند ساخت فروسیال‌ها پوشش‌هایی از مواد مختلف بر روی ذرات مغناطیسی داده میشود که دو وظیفه‌ی مهم به‌عهده دارند: اولاً نقش ترساز را بازی می‌کنند یعنی با ایجاد جاذبه‌های مولکولی قوی بین خود و مولکولهای مایع حامل، سیالی یک‌دست ایجاد کرده و مانع توده‌شدگیِ ذرات مغناطیسی حتی تحت شیب‌های شدید میدان مغناطیسی می‌شوند و ثانیاً به‌دلیل جرم حجمیِ کمتر آنها نسبت به ذرات مغناطیسی، باعث می‌شوند که جرم حجمی متوسط ذرات دارای پوشش از جرم حجمی ذرات مغناطیسی بدونِ پوشش کمتر شده و در حد تعلیق در مایع حامل باشد تا به این ترتیب کلوئیدی پایدار تشکیل شود.
ازنظر کوچک-مقیاس، نیروهای دوربرد جاذبه‌ای وان‌دروالسی و مغناطیسی، همه‌جا حاضرند و بنابراین باید در توازن با نیروهای کولنی، فضایی، و دیگر فعل و انفعالات قرار گیرند تا پایداریِ کلوئیدیِ سیستم نانوذراتِ پراکنده شده را حتی در میدان‌های مغناطیسیِ قوی و به‌شدت غیرِیکنواخت، که ویژه‌ی غالبِ کاربردها هستند، کنترل نمایند [5] [6].
در بسیاری از کاربردهایی که با آنها مواجهیم، مثلاً در درزبندی‌‌ها یا بارپذیری‌های چرخشی، نیاز به سیال‌هایی مغناطیسی با مغناطشِ قوی و درعین‌حال با پایداری کلوئیدیِ طولانی‌مدت میباشد. فراهم‌آوریِ همزمانِ این الزمات، مشکل است و شرایط سختی را در مورد پروسه‌های پایدارسازی که در خلال سنتز نانوسیال‌های مغناطیسی به‌کار می‌رود ایجاب می‌کند. درحالِ‌حاضر، ترکیب، ساختمان و خواص انواع مختلف فروسیال‌ها، و همچنین کاربرهای صنعتی و پزشکی-زیستی آنها مشخص و ارائه شده است [ 2و 5].
توده‌شدگی‌ها در سیال‌های مغناطیسی مورد استفاده در اغلب کاربردها، نامطلوبند، بنابراین روش‌های شناسایی، عمدتاً روی این پروسه‌های توده‌شدگی و پی‌آیندهای آنها در رفتار ماکروسکوپیک سیال‌ها متمرکز شده‌اند.
یکی از مؤثرترین روش‌های تحقیقات نانوساختمانی، براساسِ پراکندگی نوترونی تحتِ زاویه‌ی کوچک (SANS یا small angle neutron scattering) میباشد [8].
از این روش برای آشکار کردن خصیصه‌های ساختمانی در ابعاد 1 تا 100 نانومتر استفاده میشود و به‌طور مفصل در کنار نتایجِ TEM، DLS، و آنالیزهای مگنتوگرانیولومتری ارائه شده است.
خواص مغناطیسی. از منحنی‌های مغناطش می‌توان به‌طورِ گسترده برای مطالعه‌ی فعل و انفعالات ذره‌ای و نیز شکل‌گیریِ توده‌شدگی‌ها، که پروسه‌هایی هستند که قویاً رفتار سیال‌های مغناطیسی را از جنبه‌ی جریان و تغییر شکل ماده و هیدرولوژی مغناطیسی تحت تأثیر قرار می‌دهند، استفاده کرد. مغناطِشِ اشباع (Ms)، فروگیریِ اولیه (iχ)، منحنی‌های مغناطش کامل (M=M(H) یا M/Ms(H) که در آن H شدت میدان مغناطیسیِ اِعمال شده است) و آنالیز مگنتوگرانیولومتری (قطر مغناطیسی متوسط <Dm> و انحراف معیارِ استاندارد σ ) در مقادیرِ مختلفِ تغلیظِ حجمیِ نانوذرات مغناطیسی، دیدی مقایسه‌ای روی مشخصات میکروساختمانی نمونه‌های مختلف به ما میدهد [9 و 10].
اندازه‌ی خوشه‌ها می‌تواند اشاره‌ای اولیه باشد به درجه‌ی پراکندگی ذرات و نیز به قدرت فعل و انفعالات بینِ ذره‌ای. این اندازه را، معمولاً می‌توان به روش‌های اپتیکی (مثلاً به روشِ DLS) آنالیز نمود. علیرغم پروسه‌ی خوشه‌ای شدن، فعل و انفعالات بینِ ذره‌ای جاذبه‌ای خالص (که به‌عنوانِ نوعِ دوقطبی-دوقطبی درنظر گرفته میشود)، براثرِ دافعه‌ی فضایی القا شده توسطِ لایه‌های پوششیِ دوگانه، باید کاملاً ضعیف باشد. چنین تصور میشود که فعل و انفعالات جاذبه‌ای، تنها آشفتگی‌های انرژیِ عدمِ همگنیِ اصلیِ ذرات را القا مینمایند. اسپکتروسکوپی وابسته به دمای Mossbauer [11] درحال فراهم‌آوریِ اطلاعات روی ترکیبِ فازیِ ذره، ساختمان و تقارن موضعی، فعل و انفعالات مغناطیسیِ موضعی درون ذره و پدیده‌های استراحت (یا relaxation) از نوع Neel میباشد.
خواص ناشی از جریان و تغییر شکل ماده و خواص هیدرولوژی مغناطیسی [12]. فروسیال‌ها به‌ویژه به ترکیب، کسر حجمی ذره، و درجه‌ی پایداریِ کلوئیدیِ فروسیال‌ها، و نیز به شدت میدان مغناطیسیِ اِعمال شده بستگی دارند. تاکنون، روش‌شناسیِ تحقیقات روی خواص جریان و نتایج اصلی، با تأکیدی کامل بر فروسیال‌هایی که به‌ویژه در کاربردها مناسبند، ارائه شده است.
کاربردهای صنعتی و زیستی-پزشکی [1 تا 6، و 15 تا 18]
این کاربردها شامل موارد زیر است:
سنتز انواع جدیدی از مواد نانوساختمان ناهمگن مثل نانوکامپوزیت‌های پلیمری و امولسیون‌ها و ژل‌های قابلِ کنترلِ مغناطیسی؛ درزبندی دینامیک با سیال‌های مغناطیسی؛ تحمل بار توسط سیال مغناطیسی؛ بلندگوهای کویل-متحرک با دمپرها و خنک‌سازهایی از جنس سیال مغناطیسی؛ دمپرهای اینرسی با استفاده از سیال‌های مغناطیسی؛ سنسورها و فعال‌سازها؛ جداسازی مگنتوهیدروستاتیکی؛ تکنیک‌های پالایش سطح؛ تست غیرمخرب؛ تحقیق‌های الگوی دامنه؛ ذرات مغناطیسی و نانومهره‌های مغناطیسی چندکاره؛ جداسازی یاخته ازطریق مغناطیسی؛ عامل‌های کنتراست مغناطیسی مثلاً در MRI؛ فوقِ گرمادهی به تومورها؛ اِعمالِ دارو از طریق مغناطیسی.
کاربردهای اصلی‌تر با توضیح مختصری پیرامون هریک به‌زودی در این مقاله ارائه میشود.
به این ترتیب، آنچنانکه دیدیم فروسیال (یا ferrofluid) مایعی است که در حضور یک میدان مغناطیسی به‌شدت قطبیده میشود. فروسیال‌ها مخلوط‌های کلوئیدی متشکل از ذرات نانوابعاد فرومغناطیسی یا فری‌مغناطیسی می‌باشند که در یک مایعِ حامل که معمولاً یک حلّال یا آب است به حالتِ تعلیق قرار دارند. ذرات نانوابعاد فرومغناطیسی با یک عاملِ ترساز پوشش داده می‌شوند تا ذرات بر اثر نیروهای وان‌دِروالسی یا مغناطیسی دچارِ توده‌شدگی نشوند. برخلافِ نامشان، فروسیال‌ها پدیده‌ی فرومغناطیسم را به‌نمایش نمی‌گذارند زیرا آنها مغناطیس‌شدگی را در غیاب یک میدانِ اِعمال‌شده‌ی خارجی نگاه نمی‌دارند. درواقع، فروسیال‌ها عمدتاً پدیده‌ی پارامغناطیسم را به نمایش می‌گذارند و غالباً به‌خاطرِ فروگیریِ مغناطیسیِ بالای آنها، به‌عنوان سوپرپارامغناطیس توصیف می‌شوند. ساختِ مایع‌های مغناطیسیِ دائمی درحالِ‌حاضر مشکل است [19].
تفاوت بین فروسیال‌ها و سیال‌های مغناطورئولوژی (magnetorheological or MR fluids) در اندازه‌ی ذرات است. ذرات در یک فروسیال عمدتاً متشکل از ذرات نانوابعادند که با حرکت‌های براونی به حالت تعلیق باقی می‌مانند و عموماً تحت شرایط عادی ته‌نشین نمی‌شوند. ذراتِ سیالِ MR عمدتاً متشکل از ذرات میکرومتری (با ابعادی به اندازه‌ی 10 تا 1000 مرتبه بزرگتر) هستند که بیش از آن سنگینند که حرکت براونی بتواند آنها را در حالت تعلیق نگاه دارد ولذا بر اثر اختلافِ چگالیِ ذاتی بین ذره و مایع حامل به مرورِ زمان ته‌نشین می‌شوند. درنتیجه، این دو سیال کاربردهای بسیار متفاوتی دارند. سیالِ MR در حضورِ میدان مغناطیسی، سِفت و محکم میشود.
درواقع، فروسیال‌ها ذرات آهنیِ بسیار ریزی هستند که با یک لایه‌ی مایع و نیز ترساز پوشش داده شده‌اند و سپس به آب یا روغن اضافه شده‌اند که به آنها خواص مایع را میدهد. فروسیال‌ها، سوسپانسیون‌های کلوئیدی هستند، یعنی موادی با خواصی بیش از خواصِ یک حالت از ماده. در این مورد، دو حالت از ماده عبارتند از فلز جامد و مایعی که فلز در آن واقع است. این تواناییِ تغییرِ فاز، همراه با اِعمالِ میدان مغناطیسی، به آنها اجازه میدهد به‌عنوانِ درزبندها و روان‌سازها و حتی در کاربردهای بیشتر در سیستم‌های آینده‌ی نانوالکترومکانیک مورد استفاده قرار گیرند.
فروسیال‌های کامل، پایدارند. این به این معناست که ذرات جامد، حتی تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسیِ بسیار شدید، دچار توده‌شدگی یا جداییِ فاز نمی‌شوند. اما عاملِ ترساز در طول زمان (چندساله) متمایل به شکسته شدن میباشد و نهایتاً نانوذرات، دچار توده‌شدگی خواهند شد و از مایع جدا شده و دیگر در واکنشِ مغناطیسی سیال شرکت نخواهد کرد.
فروسیال‌ها، خواص مغناطیسیِ خود را در دماهای به‌اندازه‌ی کافی بالا، که دمای کوری خوانده می‌شوند، ازدست می‌دهند. دمای ویژه‌ی کوریِ مورد نیاز، برحسبِ ترکیب‌های ویژه‌ی مورد استفاده برای نانوذرات، ترساز، و مایعِ حامل، متغیر است.
- اسید اولئیک
- هیدروکسید تترامتیل آمونیم
- اسید سیتریک
- soy lecithin [20]
همانگونه که گفتیم این ترسازها مانع می‌شوند‌که نانوذرات به‌یکدیگر بچسبند و لذا اطمینان حاصل میشود که ذرات، توده و آنقدر سنگین نمی‌شوند که نتوانند تحت حرکت براونی به حالتِ تعلیق نگاه داشته شوند. ذرات مغناطیسی در یک فروسیالِ ایده‌آل، حتی وقتی در معرضِ یک میدان مغناطیسی یا گرانشیِ قوی هستند ته‌نشین نمی‌شوند. یک مولکولِ ترساز، دارای سَری قطبی و دُمی غیرقطبی (یا برعکس) میباشد، که یکی از آن دو دچارِ جذب سطحی بر یک نانوذره میشود درحالیکه دیگری به‌صورتِ برآمده در مایعِ حامل واقع میشود و بدین‌ترتیب یک انبوه‌شدگیِ شیمیاییِ میکروسکوپیِ (micelle) مستقیم یا معکوس در اطراف ذره شکل می‌گیرد [21]، سپس دافعه‌ی فضایی، مانعِ توده‌شدگیِ ذرات می‌گردد.
درحالیکه ترسازها در طولانی کردنِ سرعتِ ته‌نشینی در فروسیال‌ها مفیدند، زیانِ آنها در خواص مغناطیسی سیال (به‌ویژه اشباع مغناطیسی سیال) نیز ثابت شده است. اضافه نمودنِ ترسازها (یا ذرات خارجیِ دیگر) چگالی فشردگیِ فروذرات را در حالی که در حالتِ فعال شده‌ی خود هستند کاهش میدهد ولذا ویسکوزیته‌ی حالتِ سیال کاهش می‌یابد که منجر به یک سیالِ فعال شده‌ی نَرم‌تر میشود. در حالی که ویسکوزیته‌ی حالت (یا سِفتیِ سیالِ فعال شده) برای بعضی از کاربردهای فروسیال‌ها از اهمیتِ چندانی برخوردار نیست برای اغلبِ کاربردهای تجاری و صنعتیِ آنها یک خاصیتِ عمده‌ی سیال تلقی میشود، و بنابراین در این موارد، لازم است توازنی بین ویسکوزیته‌ی حالت آن و سرعتِ ته‌نشینی برقرار نماییم.
به‌طور عادی از فروسیال‌ها در بلندگوها به منظورِ دور کردنِ گرما از کویلِ صدا استفاده میشود. فروسیال‌در گافِ هواییِ اطراف کویل صدا قرار می‌گیرند و در آنجا تحت جاذبه‌ی آهنربای بلندگو ثابت می‌مانند. ار آنجا که فروسیال‌ها پارامغناطیس هستند از قانون کوری تبعیت می‌کنند وبنابراین در دماهای بیشتر دارای خاصیتِ آهنرباییِ کمتری هستند. یک آهنربایِ قویِ قرار گرفته در نزدیکیِ کویل صدا که تولید گرما می‌کند فروسیالِ سرد را بیش از فروسیال گرم جذب می‌کند و بنابراین فروسیالِ گرم شده از کویل الکتریکیِ صدا، به طرفِ سینک گرما بیرون رانده میشود. این، یک روشِ سردسازیِ مؤثر است که نیازی به هیچ انرژیِ ورودیِ اضافه‌ای ندارد [37].
[1] S. ODENBACH (Editor), Ferrofluids: Magnetically controllable fluids and their applications, Lecture Notes in Physics, Springer-Verlag, 253 pages (2002)
[2] S. W. CHARLES, The preparation of magnetic fluids, in: S. ODENBACH (Editot), Ferrofluids: Magnetically controllable fluids and their applications, Lecture Notes in Physics, Springer-Verlag, pp. 3-18, 2002, See also: S. W. CHARLES, Preparation and magnetic properties of magnetic fluids, Rom, Reps. Phys., vol. 47(3-5), pp. 249-264, 1995
[3] R. E. ROSENSWEIG, Ferrohydrodynamics, Cambridge Univ. Press, pp. 344, 1984; see also J. L. Neuringer, R. E. Rosenweig, Phys. Fluids 7(1967)1927
[4] B. BERKOVSKY, V. BASHTOVOI (Eds.), Magnetic fluids and applications handbook, Begell House, New York, pp.831, 1996
[5] L. VEKAS, D. BICA, M. V. AVDEEV, Magnetic nanoparticles and concentrated magnetic nanofluids: synthesis, properties and some applications, China Particuology, 2007 (to appear); see also: I. ANTON, I. DE SABATA, L. VEKAS, Application orientated researches on magnetic fluids, J. Magn. Magn. Mater., vol.85, pp.219-226, 1990
[6] K. RAJ, Magnetic fluids and devices: a commercial survey, in: B. BERKOVSKY, V. BASHTOVOI (Eds.), Magnetic fluids and applications handbook, Begell House, New York, pp.657-751 (1996)
[7] V. CABUIL, J.C. BACRI, R. PERZYNSKY, YU. RAIKHER, Colloidal stability of magnetic fluids, in: B. BERKOVSKY, V. BASHTOVOI (Eds.), Magnetic fluids and applications handbook, Begell House, New York,
pp.33-56 (1996).
[8] M.V. Avdeev, V.L. Aksenov, M. Balasoiu, V.M. Garamus, A. Schreyer, Gy. Torok, L. Rosta, D. Bica,. L. Vekas, Comparative analysis of the structure of sterically stabilized ferrofluids on polar carriers by small-angle neutron scattering, J. Coll.Interface Sci., 295(2006)100-107; see also: M.V. Avdeev, Contrast variation in small-angle scattering experiments on polydisperse and superparamagnetic systems: basic function approach, J. Appl.Cryst., 40(2007)56-70.
[9] M. RASA, D. BICA, A.P. PHILIPSE, L. VEKAS, Dilution series approach for investigation of microstructural properties and particle interactions in high-quality magnetic fluids, Eur. Phys. J. E (2002), vol.7, pp.209- 220.
[10] A. O. Ivanov, O. B. Kuznetsova, Interparticle correlations and magnetic properties of concentrated ferrocolloids, Collod J., vol.63, pp.60-67, 2001.
[11] V. Kuncser, G. Schinteie, B. Sahoo, W. Keune, D. Bica, L. Vékás, G. Filoti, Magnetic interactions in water-based ferrofluids studied by Mössbauer spectroscopy. J. Phys.: Cond. Matter. (2007)19(1)016205- 016221
[12] S. Odenbach, Magnetoviscous effects in ferrofluids, Springer LNP m71 (Berlin, New York, 2002) 13. M.I. Shliomis, Ferrohydrodynamics: Retrospective and Issues, in: S. ODENBACH (Editor), Ferrofluids: Magnetically controllable fluids and their applications, Lecture Notes in Physics, Springer-Verlag, pp.85- 110, 2002
[13] M.I. Shliomis, Ferrohydrodynamics: Retrospective and Issues, in: S. ODENBACH (Editor), Ferrofluids: Magnetically controllable fluids and their applications, Lecture Notes in Physics, Springer-Verlag, pp.85- 110, 2002.
[14] R. E. Rosensweig, Basic Equations for Magnetic Fluids with Internal Rotations, in: S. ODENBACH (Editor), Ferrofluids: Magnetically controllable fluids and their applications, Lecture Notes in Physics, Springer-Verlag, pp.61 84, 2002.
[15] Turcu R., Pana O., Nan A. and Giurgiu L. M. Polymeric Nanostructures and Their Applications vol 1, ed. H.S. Nalwa (American Scientific Publishers) pp 337-99(2007); see also Eunate Goiti, Rebeca Hernández, , Ruy Sanz, Daniel López, Manuel Vázquez, Carmen Mijangos, Rodica Turcu, Alexandrina Nan, Doina Bica, Ladislau Vekas, Novel nanostructured magneto-polymer composites, Journal of Nanostructured Polymers and Nanocomposites 2(2006)5-12 .
[16] Z. Varga, J. Feher, G. Filipcsei, M. Zrinyi, Smart nanocomposite polymer gels, Macromolecular Symposia, 200 (2003)93-100.] Z. Varga, G. Filipcsei, M. Zrinyi, Smart composites with controlled anisotropy, Polymer, 46(2005)7779 7787.
[17] Neuberger, T., Schopf, B., Hofmann, H., Hofmann, M. & Rechenberg, B. Superparamagnetic nanoparticles for biomedical applications: Possibilities and limitations of a new drug delivery system. J. Magn. Magn. Mater., 293(2005) 483 496.
[18] Pankhurst, Q.A., Connolly, J., Jones, S.K. & Dobson J. , Applications of magnetic nanoparticles in biomedicine. J. Phys. D: Appl.Phys., 36(2003) R167-R181.
[19] T. Albrecht, C. Buhrer et al. (1997), “First observation of ferromagnetism and ferromagnetic domains in a liquid metal”, Applied A Materiald Science & Processing, 65:215, doi:10. 1007/s003390050569
[20] Iowa State University Animal Industry Report 2006, Soy Lecithin but not Egg Lecithin Decreased the Plasma Cholesterol Concentration in Golden Syrian Hamsters
[21] M. Seddon, R. H. Templer, Polymorphism of Liquid-Water Systems, from the Handbook of Biological Physics, Vol. 1, ed. R. Lipowsky, and E. Sackmann. (c) 1995, Elsevier Science B. V. ISBN 0-444-81975-4
[22] www.anzcorp.co.kr
[23] www.ekk.co.jp/eng/index.htm
[24] www.rigaku.com/vacuum/ferro.html
[25] www.rigaku-mechatronics.com/english
[26] www.magneticfluidics.com/index-e.asp
[27] en.wikipedia.org/wiki/Radar_Absorbent_Material
[28] www.radarworld.org/radarwar.pdf
[29] www.bbc.co.uk/dna/ww2/A591545
[30] Shepelev, Andrei and Ottens, Huib. Ho 229 The Spirit of Thuringia: The Hortern All-wing jet Fighter. London: Classic Publications, 2007. ISBN 1-903223-66-0.
[31] E Knot, J Shaeffer, M Tulley, Radar Cross Section, pp 528-531. ISBN 0-89006-618-3
[32] J. Garcia-Otero, A. J. Garcia-Bastida, and J. Rivas, J. Magn. Magn. Mater. 189, 377 (1998)
[33] R. Hergt, R. Hiergeist, M. Zeisberger, D. Schuler, U. Heyen, I. Hilger and W. A. Kaiser, J. Magn. Magn. Mater. 293.80 (2005)
[34] R. Hergt, R. Hiergeist, I Hilger, W. A. Kaiser, Y. Lapatnikov, S. Margel and U. Richter, J. Magn. Magn. Mater. 270, 345 (2004)
[35] M. Zeisberger, S. Dutz, R. Muller, R. Hergt, N. Matoussevitch, and H. Bonneman, J. Magn. Magn. Mater. 311, 224 (2005)
[36] B. Finlayson, Convective instability of ferromagnetic fluids, 1970, Journal of Fluid Mechanics 40:753-762
[37] Elmars Blums (1995) "New Applications of Heat and Mass Transfer Processes in Temperature Sensitive Magnetic Fluids". Brazilian Journal of Physics. Retrieved August 31 2007
[38] Jeff Hecht (07 November 2008). "Morphing mirror could clear the skies for astronomers", New Scientist
[39] www.kodama.hc.uec.ac.jp/index-e.html
/ن
غالباً در فرایند ساخت فروسیال‌ها پوشش‌هایی از مواد مختلف بر روی ذرات مغناطیسی داده میشود که دو وظیفه‌ی مهم به‌عهده دارند: اولاً نقش ترساز را بازی می‌کنند یعنی با ایجاد جاذبه‌های مولکولی قوی بین خود و مولکولهای مایع حامل، سیالی یک‌دست ایجاد کرده و مانع توده‌شدگیِ ذرات مغناطیسی حتی تحت شیب‌های شدید میدان مغناطیسی می‌شوند و ثانیاً به‌دلیل جرم حجمیِ کمتر آنها نسبت به ذرات مغناطیسی، باعث می‌شوند که جرم حجمی متوسط ذرات دارای پوشش از جرم حجمی ذرات مغناطیسی بدونِ پوشش کمتر شده و در حد تعلیق در مایع حامل باشد تا به این ترتیب کلوئیدی پایدار تشکیل شود.
معرفی کامل فِروسَیّال و بررسی خواص فیزیکی-شیمیایی و کاربردهای انواع آنها
مقدمه
ازنظر کوچک-مقیاس، نیروهای دوربرد جاذبه‌ای وان‌دروالسی و مغناطیسی، همه‌جا حاضرند و بنابراین باید در توازن با نیروهای کولنی، فضایی، و دیگر فعل و انفعالات قرار گیرند تا پایداریِ کلوئیدیِ سیستم نانوذراتِ پراکنده شده را حتی در میدان‌های مغناطیسیِ قوی و به‌شدت غیرِیکنواخت، که ویژه‌ی غالبِ کاربردها هستند، کنترل نمایند [5] [6].
در بسیاری از کاربردهایی که با آنها مواجهیم، مثلاً در درزبندی‌‌ها یا بارپذیری‌های چرخشی، نیاز به سیال‌هایی مغناطیسی با مغناطشِ قوی و درعین‌حال با پایداری کلوئیدیِ طولانی‌مدت میباشد. فراهم‌آوریِ همزمانِ این الزمات، مشکل است و شرایط سختی را در مورد پروسه‌های پایدارسازی که در خلال سنتز نانوسیال‌های مغناطیسی به‌کار می‌رود ایجاب می‌کند. درحالِ‌حاضر، ترکیب، ساختمان و خواص انواع مختلف فروسیال‌ها، و همچنین کاربرهای صنعتی و پزشکی-زیستی آنها مشخص و ارائه شده است [ 2و 5].
سنتز فروسیال‌ها
مشخصات
توده‌شدگی‌ها در سیال‌های مغناطیسی مورد استفاده در اغلب کاربردها، نامطلوبند، بنابراین روش‌های شناسایی، عمدتاً روی این پروسه‌های توده‌شدگی و پی‌آیندهای آنها در رفتار ماکروسکوپیک سیال‌ها متمرکز شده‌اند.
یکی از مؤثرترین روش‌های تحقیقات نانوساختمانی، براساسِ پراکندگی نوترونی تحتِ زاویه‌ی کوچک (SANS یا small angle neutron scattering) میباشد [8].
از این روش برای آشکار کردن خصیصه‌های ساختمانی در ابعاد 1 تا 100 نانومتر استفاده میشود و به‌طور مفصل در کنار نتایجِ TEM، DLS، و آنالیزهای مگنتوگرانیولومتری ارائه شده است.
خواص مغناطیسی. از منحنی‌های مغناطش می‌توان به‌طورِ گسترده برای مطالعه‌ی فعل و انفعالات ذره‌ای و نیز شکل‌گیریِ توده‌شدگی‌ها، که پروسه‌هایی هستند که قویاً رفتار سیال‌های مغناطیسی را از جنبه‌ی جریان و تغییر شکل ماده و هیدرولوژی مغناطیسی تحت تأثیر قرار می‌دهند، استفاده کرد. مغناطِشِ اشباع (Ms)، فروگیریِ اولیه (iχ)، منحنی‌های مغناطش کامل (M=M(H) یا M/Ms(H) که در آن H شدت میدان مغناطیسیِ اِعمال شده است) و آنالیز مگنتوگرانیولومتری (قطر مغناطیسی متوسط <Dm> و انحراف معیارِ استاندارد σ ) در مقادیرِ مختلفِ تغلیظِ حجمیِ نانوذرات مغناطیسی، دیدی مقایسه‌ای روی مشخصات میکروساختمانی نمونه‌های مختلف به ما میدهد [9 و 10].
اندازه‌ی خوشه‌ها می‌تواند اشاره‌ای اولیه باشد به درجه‌ی پراکندگی ذرات و نیز به قدرت فعل و انفعالات بینِ ذره‌ای. این اندازه را، معمولاً می‌توان به روش‌های اپتیکی (مثلاً به روشِ DLS) آنالیز نمود. علیرغم پروسه‌ی خوشه‌ای شدن، فعل و انفعالات بینِ ذره‌ای جاذبه‌ای خالص (که به‌عنوانِ نوعِ دوقطبی-دوقطبی درنظر گرفته میشود)، براثرِ دافعه‌ی فضایی القا شده توسطِ لایه‌های پوششیِ دوگانه، باید کاملاً ضعیف باشد. چنین تصور میشود که فعل و انفعالات جاذبه‌ای، تنها آشفتگی‌های انرژیِ عدمِ همگنیِ اصلیِ ذرات را القا مینمایند. اسپکتروسکوپی وابسته به دمای Mossbauer [11] درحال فراهم‌آوریِ اطلاعات روی ترکیبِ فازیِ ذره، ساختمان و تقارن موضعی، فعل و انفعالات مغناطیسیِ موضعی درون ذره و پدیده‌های استراحت (یا relaxation) از نوع Neel میباشد.
خواص ناشی از جریان و تغییر شکل ماده و خواص هیدرولوژی مغناطیسی [12]. فروسیال‌ها به‌ویژه به ترکیب، کسر حجمی ذره، و درجه‌ی پایداریِ کلوئیدیِ فروسیال‌ها، و نیز به شدت میدان مغناطیسیِ اِعمال شده بستگی دارند. تاکنون، روش‌شناسیِ تحقیقات روی خواص جریان و نتایج اصلی، با تأکیدی کامل بر فروسیال‌هایی که به‌ویژه در کاربردها مناسبند، ارائه شده است.
فروهیدرودینامیک
کاربردهای صنعتی و زیستی-پزشکی [1 تا 6، و 15 تا 18]
این کاربردها شامل موارد زیر است:
سنتز انواع جدیدی از مواد نانوساختمان ناهمگن مثل نانوکامپوزیت‌های پلیمری و امولسیون‌ها و ژل‌های قابلِ کنترلِ مغناطیسی؛ درزبندی دینامیک با سیال‌های مغناطیسی؛ تحمل بار توسط سیال مغناطیسی؛ بلندگوهای کویل-متحرک با دمپرها و خنک‌سازهایی از جنس سیال مغناطیسی؛ دمپرهای اینرسی با استفاده از سیال‌های مغناطیسی؛ سنسورها و فعال‌سازها؛ جداسازی مگنتوهیدروستاتیکی؛ تکنیک‌های پالایش سطح؛ تست غیرمخرب؛ تحقیق‌های الگوی دامنه؛ ذرات مغناطیسی و نانومهره‌های مغناطیسی چندکاره؛ جداسازی یاخته ازطریق مغناطیسی؛ عامل‌های کنتراست مغناطیسی مثلاً در MRI؛ فوقِ گرمادهی به تومورها؛ اِعمالِ دارو از طریق مغناطیسی.
کاربردهای اصلی‌تر با توضیح مختصری پیرامون هریک به‌زودی در این مقاله ارائه میشود.
به این ترتیب، آنچنانکه دیدیم فروسیال (یا ferrofluid) مایعی است که در حضور یک میدان مغناطیسی به‌شدت قطبیده میشود. فروسیال‌ها مخلوط‌های کلوئیدی متشکل از ذرات نانوابعاد فرومغناطیسی یا فری‌مغناطیسی می‌باشند که در یک مایعِ حامل که معمولاً یک حلّال یا آب است به حالتِ تعلیق قرار دارند. ذرات نانوابعاد فرومغناطیسی با یک عاملِ ترساز پوشش داده می‌شوند تا ذرات بر اثر نیروهای وان‌دِروالسی یا مغناطیسی دچارِ توده‌شدگی نشوند. برخلافِ نامشان، فروسیال‌ها پدیده‌ی فرومغناطیسم را به‌نمایش نمی‌گذارند زیرا آنها مغناطیس‌شدگی را در غیاب یک میدانِ اِعمال‌شده‌ی خارجی نگاه نمی‌دارند. درواقع، فروسیال‌ها عمدتاً پدیده‌ی پارامغناطیسم را به نمایش می‌گذارند و غالباً به‌خاطرِ فروگیریِ مغناطیسیِ بالای آنها، به‌عنوان سوپرپارامغناطیس توصیف می‌شوند. ساختِ مایع‌های مغناطیسیِ دائمی درحالِ‌حاضر مشکل است [19].
تفاوت بین فروسیال‌ها و سیال‌های مغناطورئولوژی (magnetorheological or MR fluids) در اندازه‌ی ذرات است. ذرات در یک فروسیال عمدتاً متشکل از ذرات نانوابعادند که با حرکت‌های براونی به حالت تعلیق باقی می‌مانند و عموماً تحت شرایط عادی ته‌نشین نمی‌شوند. ذراتِ سیالِ MR عمدتاً متشکل از ذرات میکرومتری (با ابعادی به اندازه‌ی 10 تا 1000 مرتبه بزرگتر) هستند که بیش از آن سنگینند که حرکت براونی بتواند آنها را در حالت تعلیق نگاه دارد ولذا بر اثر اختلافِ چگالیِ ذاتی بین ذره و مایع حامل به مرورِ زمان ته‌نشین می‌شوند. درنتیجه، این دو سیال کاربردهای بسیار متفاوتی دارند. سیالِ MR در حضورِ میدان مغناطیسی، سِفت و محکم میشود.
توصیف
درواقع، فروسیال‌ها ذرات آهنیِ بسیار ریزی هستند که با یک لایه‌ی مایع و نیز ترساز پوشش داده شده‌اند و سپس به آب یا روغن اضافه شده‌اند که به آنها خواص مایع را میدهد. فروسیال‌ها، سوسپانسیون‌های کلوئیدی هستند، یعنی موادی با خواصی بیش از خواصِ یک حالت از ماده. در این مورد، دو حالت از ماده عبارتند از فلز جامد و مایعی که فلز در آن واقع است. این تواناییِ تغییرِ فاز، همراه با اِعمالِ میدان مغناطیسی، به آنها اجازه میدهد به‌عنوانِ درزبندها و روان‌سازها و حتی در کاربردهای بیشتر در سیستم‌های آینده‌ی نانوالکترومکانیک مورد استفاده قرار گیرند.
فروسیال‌های کامل، پایدارند. این به این معناست که ذرات جامد، حتی تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسیِ بسیار شدید، دچار توده‌شدگی یا جداییِ فاز نمی‌شوند. اما عاملِ ترساز در طول زمان (چندساله) متمایل به شکسته شدن میباشد و نهایتاً نانوذرات، دچار توده‌شدگی خواهند شد و از مایع جدا شده و دیگر در واکنشِ مغناطیسی سیال شرکت نخواهد کرد.
فروسیال‌ها، خواص مغناطیسیِ خود را در دماهای به‌اندازه‌ی کافی بالا، که دمای کوری خوانده می‌شوند، ازدست می‌دهند. دمای ویژه‌ی کوریِ مورد نیاز، برحسبِ ترکیب‌های ویژه‌ی مورد استفاده برای نانوذرات، ترساز، و مایعِ حامل، متغیر است.
ناپایداری در میدانِ عمودی
ترسازهایِ معمولِ فروسیال
- اسید اولئیک
- هیدروکسید تترامتیل آمونیم
- اسید سیتریک
- soy lecithin [20]
همانگونه که گفتیم این ترسازها مانع می‌شوند‌که نانوذرات به‌یکدیگر بچسبند و لذا اطمینان حاصل میشود که ذرات، توده و آنقدر سنگین نمی‌شوند که نتوانند تحت حرکت براونی به حالتِ تعلیق نگاه داشته شوند. ذرات مغناطیسی در یک فروسیالِ ایده‌آل، حتی وقتی در معرضِ یک میدان مغناطیسی یا گرانشیِ قوی هستند ته‌نشین نمی‌شوند. یک مولکولِ ترساز، دارای سَری قطبی و دُمی غیرقطبی (یا برعکس) میباشد، که یکی از آن دو دچارِ جذب سطحی بر یک نانوذره میشود درحالیکه دیگری به‌صورتِ برآمده در مایعِ حامل واقع میشود و بدین‌ترتیب یک انبوه‌شدگیِ شیمیاییِ میکروسکوپیِ (micelle) مستقیم یا معکوس در اطراف ذره شکل می‌گیرد [21]، سپس دافعه‌ی فضایی، مانعِ توده‌شدگیِ ذرات می‌گردد.
درحالیکه ترسازها در طولانی کردنِ سرعتِ ته‌نشینی در فروسیال‌ها مفیدند، زیانِ آنها در خواص مغناطیسی سیال (به‌ویژه اشباع مغناطیسی سیال) نیز ثابت شده است. اضافه نمودنِ ترسازها (یا ذرات خارجیِ دیگر) چگالی فشردگیِ فروذرات را در حالی که در حالتِ فعال شده‌ی خود هستند کاهش میدهد ولذا ویسکوزیته‌ی حالتِ سیال کاهش می‌یابد که منجر به یک سیالِ فعال شده‌ی نَرم‌تر میشود. در حالی که ویسکوزیته‌ی حالت (یا سِفتیِ سیالِ فعال شده) برای بعضی از کاربردهای فروسیال‌ها از اهمیتِ چندانی برخوردار نیست برای اغلبِ کاربردهای تجاری و صنعتیِ آنها یک خاصیتِ عمده‌ی سیال تلقی میشود، و بنابراین در این موارد، لازم است توازنی بین ویسکوزیته‌ی حالت آن و سرعتِ ته‌نشینی برقرار نماییم.
کاربردهای عمده
در وسایل الکترونیکی
در مهندسیِ مکانیک
در موارد نظامی
در هوا-فضا
در تجهیزاتِ آنالیز
در پزشکی
در انتقال گرما
به‌طور عادی از فروسیال‌ها در بلندگوها به منظورِ دور کردنِ گرما از کویلِ صدا استفاده میشود. فروسیال‌در گافِ هواییِ اطراف کویل صدا قرار می‌گیرند و در آنجا تحت جاذبه‌ی آهنربای بلندگو ثابت می‌مانند. ار آنجا که فروسیال‌ها پارامغناطیس هستند از قانون کوری تبعیت می‌کنند وبنابراین در دماهای بیشتر دارای خاصیتِ آهنرباییِ کمتری هستند. یک آهنربایِ قویِ قرار گرفته در نزدیکیِ کویل صدا که تولید گرما می‌کند فروسیالِ سرد را بیش از فروسیال گرم جذب می‌کند و بنابراین فروسیالِ گرم شده از کویل الکتریکیِ صدا، به طرفِ سینک گرما بیرون رانده میشود. این، یک روشِ سردسازیِ مؤثر است که نیازی به هیچ انرژیِ ورودیِ اضافه‌ای ندارد [37].
در نورشناسی
در هنر
[1] S. ODENBACH (Editor), Ferrofluids: Magnetically controllable fluids and their applications, Lecture Notes in Physics, Springer-Verlag, 253 pages (2002)
[2] S. W. CHARLES, The preparation of magnetic fluids, in: S. ODENBACH (Editot), Ferrofluids: Magnetically controllable fluids and their applications, Lecture Notes in Physics, Springer-Verlag, pp. 3-18, 2002, See also: S. W. CHARLES, Preparation and magnetic properties of magnetic fluids, Rom, Reps. Phys., vol. 47(3-5), pp. 249-264, 1995
[3] R. E. ROSENSWEIG, Ferrohydrodynamics, Cambridge Univ. Press, pp. 344, 1984; see also J. L. Neuringer, R. E. Rosenweig, Phys. Fluids 7(1967)1927
[4] B. BERKOVSKY, V. BASHTOVOI (Eds.), Magnetic fluids and applications handbook, Begell House, New York, pp.831, 1996
[5] L. VEKAS, D. BICA, M. V. AVDEEV, Magnetic nanoparticles and concentrated magnetic nanofluids: synthesis, properties and some applications, China Particuology, 2007 (to appear); see also: I. ANTON, I. DE SABATA, L. VEKAS, Application orientated researches on magnetic fluids, J. Magn. Magn. Mater., vol.85, pp.219-226, 1990
[6] K. RAJ, Magnetic fluids and devices: a commercial survey, in: B. BERKOVSKY, V. BASHTOVOI (Eds.), Magnetic fluids and applications handbook, Begell House, New York, pp.657-751 (1996)
[7] V. CABUIL, J.C. BACRI, R. PERZYNSKY, YU. RAIKHER, Colloidal stability of magnetic fluids, in: B. BERKOVSKY, V. BASHTOVOI (Eds.), Magnetic fluids and applications handbook, Begell House, New York,
pp.33-56 (1996).
[8] M.V. Avdeev, V.L. Aksenov, M. Balasoiu, V.M. Garamus, A. Schreyer, Gy. Torok, L. Rosta, D. Bica,. L. Vekas, Comparative analysis of the structure of sterically stabilized ferrofluids on polar carriers by small-angle neutron scattering, J. Coll.Interface Sci., 295(2006)100-107; see also: M.V. Avdeev, Contrast variation in small-angle scattering experiments on polydisperse and superparamagnetic systems: basic function approach, J. Appl.Cryst., 40(2007)56-70.
[9] M. RASA, D. BICA, A.P. PHILIPSE, L. VEKAS, Dilution series approach for investigation of microstructural properties and particle interactions in high-quality magnetic fluids, Eur. Phys. J. E (2002), vol.7, pp.209- 220.
[10] A. O. Ivanov, O. B. Kuznetsova, Interparticle correlations and magnetic properties of concentrated ferrocolloids, Collod J., vol.63, pp.60-67, 2001.
[11] V. Kuncser, G. Schinteie, B. Sahoo, W. Keune, D. Bica, L. Vékás, G. Filoti, Magnetic interactions in water-based ferrofluids studied by Mössbauer spectroscopy. J. Phys.: Cond. Matter. (2007)19(1)016205- 016221
[12] S. Odenbach, Magnetoviscous effects in ferrofluids, Springer LNP m71 (Berlin, New York, 2002) 13. M.I. Shliomis, Ferrohydrodynamics: Retrospective and Issues, in: S. ODENBACH (Editor), Ferrofluids: Magnetically controllable fluids and their applications, Lecture Notes in Physics, Springer-Verlag, pp.85- 110, 2002
[13] M.I. Shliomis, Ferrohydrodynamics: Retrospective and Issues, in: S. ODENBACH (Editor), Ferrofluids: Magnetically controllable fluids and their applications, Lecture Notes in Physics, Springer-Verlag, pp.85- 110, 2002.
[14] R. E. Rosensweig, Basic Equations for Magnetic Fluids with Internal Rotations, in: S. ODENBACH (Editor), Ferrofluids: Magnetically controllable fluids and their applications, Lecture Notes in Physics, Springer-Verlag, pp.61 84, 2002.
[15] Turcu R., Pana O., Nan A. and Giurgiu L. M. Polymeric Nanostructures and Their Applications vol 1, ed. H.S. Nalwa (American Scientific Publishers) pp 337-99(2007); see also Eunate Goiti, Rebeca Hernández, , Ruy Sanz, Daniel López, Manuel Vázquez, Carmen Mijangos, Rodica Turcu, Alexandrina Nan, Doina Bica, Ladislau Vekas, Novel nanostructured magneto-polymer composites, Journal of Nanostructured Polymers and Nanocomposites 2(2006)5-12 .
[16] Z. Varga, J. Feher, G. Filipcsei, M. Zrinyi, Smart nanocomposite polymer gels, Macromolecular Symposia, 200 (2003)93-100.] Z. Varga, G. Filipcsei, M. Zrinyi, Smart composites with controlled anisotropy, Polymer, 46(2005)7779 7787.
[17] Neuberger, T., Schopf, B., Hofmann, H., Hofmann, M. & Rechenberg, B. Superparamagnetic nanoparticles for biomedical applications: Possibilities and limitations of a new drug delivery system. J. Magn. Magn. Mater., 293(2005) 483 496.
[18] Pankhurst, Q.A., Connolly, J., Jones, S.K. & Dobson J. , Applications of magnetic nanoparticles in biomedicine. J. Phys. D: Appl.Phys., 36(2003) R167-R181.
[19] T. Albrecht, C. Buhrer et al. (1997), “First observation of ferromagnetism and ferromagnetic domains in a liquid metal”, Applied A Materiald Science & Processing, 65:215, doi:10. 1007/s003390050569
[20] Iowa State University Animal Industry Report 2006, Soy Lecithin but not Egg Lecithin Decreased the Plasma Cholesterol Concentration in Golden Syrian Hamsters
[21] M. Seddon, R. H. Templer, Polymorphism of Liquid-Water Systems, from the Handbook of Biological Physics, Vol. 1, ed. R. Lipowsky, and E. Sackmann. (c) 1995, Elsevier Science B. V. ISBN 0-444-81975-4
[22] www.anzcorp.co.kr
[23] www.ekk.co.jp/eng/index.htm
[24] www.rigaku.com/vacuum/ferro.html
[25] www.rigaku-mechatronics.com/english
[26] www.magneticfluidics.com/index-e.asp
[27] en.wikipedia.org/wiki/Radar_Absorbent_Material
[28] www.radarworld.org/radarwar.pdf
[29] www.bbc.co.uk/dna/ww2/A591545
[30] Shepelev, Andrei and Ottens, Huib. Ho 229 The Spirit of Thuringia: The Hortern All-wing jet Fighter. London: Classic Publications, 2007. ISBN 1-903223-66-0.
[31] E Knot, J Shaeffer, M Tulley, Radar Cross Section, pp 528-531. ISBN 0-89006-618-3
[32] J. Garcia-Otero, A. J. Garcia-Bastida, and J. Rivas, J. Magn. Magn. Mater. 189, 377 (1998)
[33] R. Hergt, R. Hiergeist, M. Zeisberger, D. Schuler, U. Heyen, I. Hilger and W. A. Kaiser, J. Magn. Magn. Mater. 293.80 (2005)
[34] R. Hergt, R. Hiergeist, I Hilger, W. A. Kaiser, Y. Lapatnikov, S. Margel and U. Richter, J. Magn. Magn. Mater. 270, 345 (2004)
[35] M. Zeisberger, S. Dutz, R. Muller, R. Hergt, N. Matoussevitch, and H. Bonneman, J. Magn. Magn. Mater. 311, 224 (2005)
[36] B. Finlayson, Convective instability of ferromagnetic fluids, 1970, Journal of Fluid Mechanics 40:753-762
[37] Elmars Blums (1995) "New Applications of Heat and Mass Transfer Processes in Temperature Sensitive Magnetic Fluids". Brazilian Journal of Physics. Retrieved August 31 2007
[38] Jeff Hecht (07 November 2008). "Morphing mirror could clear the skies for astronomers", New Scientist
[39] www.kodama.hc.uec.ac.jp/index-e.html
/ن
مقالات مرتبط
تازه های مقالات
ارسال نظر
در ارسال نظر شما خطایی رخ داده است
کاربر گرامی، ضمن تشکر از شما نظر شما با موفقیت ثبت گردید. و پس از تائید در فهرست نظرات نمایش داده می شود
نام :
ایمیل :
نظرات کاربران
{{Fullname}} {{Creationdate}}
{{Body}}