فروسیال Ferrofluid
فِروسیال یا فِروفلوئید (ترکیبی از دو واژهٔ فرومغناطیس و فِلوئید به معنای شاره یا سیال) یا محلول مغناطیسی شاره‌ای است که در حضور یک میدان…
برچسب: فرومغناطیس
فِروسیال یا فِروفلوئید (ترکیبی از دو واژهٔ فرومغناطیس و فِلوئید به معنای شاره یا سیال) یا محلول مغناطیسی شاره‌ای است که در حضور یک میدان…
فروفلوئید روی شیشه.(یک آهنربا زیر شیشه قرار گرفتهاست.)[/caption]
زمانی که این مایع در میدان مغناطیسی قوی قرار میگیرد، ذرات فرومغناطیسی لختههای بزرگی را تشکیل میدهند و به این صورت میتوان ذرات فرومغناطیسی بزرگ را از مخلوط کلوئیدی همگن جدا کرد. جاذبه مغناطیسی بین نانوذرات به اندازهای ضعیف است که نیروی نیروی واندروالسی سورفاکتانت برای جلوگیری از تودهای شدن یا لخته شدن کفایت میکند.
فروسیال معمولاً زمانی که در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار نگرفته است، خاصیت مغناطیسی خود را حفظ نمیکند و به همین دلیل در هنگام طبقهبندی، به جای گرو‌ه فِرومغناطیسها در گرو‌ه ابرپارامغناطیسها (Superparamagnet) قرار میگیرند. تفاوت بین فروسیالها و مایعات مغناطیسی یا همان مایعهای MR اندازه ذرات آنهاست.
ذرات موجود در فروسیالها عمدتاً ذراتِ نانو هستند که با حرکت بروانی در مایع معلق میباشند و به طور کلی در شرایط معمولی تهنشین نمیشوند. در حالی که ذرات تشکیل دهندهٔ مایعات مغناطیسی عمدتاً در مقیاس میکرومتر هستند که برای معلق ماندن با حرکت براونی بسیار سنگینند، و به مرور زمان به دلیل تفاوت چگالی ذاتی بین ذرات تشکیل دهنده و سیال حامل، ته نشین میشوند. از این رو مادههای فروسیال و مایعات مغناطیسی کاربردهای متفاوتی دارند.
[caption id="attachment_2724" align="aligncenter" width="393"]
تصویر ماکرو از فروفلوئید در یک میدان مغناطیسی[/caption]
یک آهنربای مایع یا فروسیال، مخلوطی کلوئیدی از ذرات مغناطیسی ( به قطرِ تقریباً 10 نانومتر ) در یک مایع حامل میباشد. همچنین، حامل دارای مادهی ترسازی است که از چسبیدن ذرات به یکدیگر ممانعت به عمل میآورد، و مایع حامل، آب یا یک سیال آلی است. نوعاً فروسیال از نظر حجمی متشکل است از حدوداً %5 جامدهای مغناطیسی، %10 ترساز، و %85 حامل. در یک نوع فروسیالِ قابل ساخت، برای ذرات مغناطیسی از آهن مغناطیسی (Fe3O4)، برای ترساز از اسید اولئیک، و برای سیالِ حامل از نفت سفید استفاده میشود. ترساز باید قابل حل در مایع حامل باشد.
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.
فروسیال یا فِروفلوئید در یک بطری[/caption]
مشخصات
تحقیقات ساختمانی و پایداری کلوئیدی. در موردِ نانوذراتی که از لحاظ فضایی در مایعهای حامل مختلف پایدار شدهاند کاراییِ پوشش سطحیِ ذرات را نوع و کیفیتِ ترسازهای مورد استفاده، همچنین دمای مدیوم، و درنتیجه تعادل بین فعل و انفعالات جاذبهای و دافعهایِ بین ذرات، تعیین خواهد کرد. وقتی فعل و انفعالات جاذبهای غالب باشد ممکن است انواع تودهشدگیها، که معمولاً بهشکلِ زنجیرههای خطیِ شِبهِ موازی با خطوط میدان مغناطیسیِ اِعمال شده یا بهشکلِ تراکمهای شِبهِ قطرهای هستند، حاصل شود.
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.
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.
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 درحال فراهمآوریِ اطلاعات روی ترکیبِ فازیِ ذره، ساختمان و تقارن موضعی، فعل و انفعالات مغناطیسیِ موضعی درون ذره و پدیدههای استراحت (relaxation) از نوع Neel میباشد.
خواص ناشی از جریان و تغییر شکل ماده و خواص هیدرولوژی مغناطیسی. 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
معادلات فروهیدرودینامیک، که ابتدائاً توسط Neuringer و Rosenweig توسعه یافت، با مواردِ کاربردی تطبیق داده شده است. نخست معادلات استنتاج شده برای یک فروسیال شِبهِهمگن در تقریبِ شِبهِ استاتیک ارائه گردید، که مربوط به یک فروسیالِ رقیقشده، با دوقطبیهای مغناطیسیِ شِبهِ نقطهای و رفتار لانژوینیِ مغناطش در یک میدان کُند-تغییر، میباشد. سپس، مدلِ فروسیالها با چرخشهای داخلی (Shlomis ، Rosensweig) با احتسابِ استراحت مغناطش توسط مکانیسم نوعِ Neel یا Brown، طرحریزی گردید.
کاربردهای صنعتی و زیستی-پزشکی
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.
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.
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.
همانگونه که قبلاٌ اشاره شد فروسیالها متشکل از ذرات نانوابعاد (به قطرِ معمولاً 10 نانومتر یا کمتر) از جنسِ magnetite، یا hematite یا ترکیباتِ دیگرِ حاویِ آهن میباشند. این ابعاد آنقدر کم هستند که آشفتگیِ گرمایی، آنها را بهطورِ یکنواخت در یک مایعِ حامل پراکنده کند، و نیز آنقدر کم هستند که خودِ ذرات در واکنشهای سراسریِ مایع شرکت میکنند. این موضوع، قابلِ قیاس است با طریقهای که یونها در یک محلولِ آبکی نمکیِ پارامغناطیسی (مثل یک محلولِ آبکیِ سولفات مس (2) یا کلرید منگنز (2)) محلول را پارامغناطیس میسازند.
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 میدان عمودی
وقتی این شاره در یک میدان مغناطیسی عمودی قوی (با مقادیر خاصی) قرار میگیرد، سطح آن به شکل منظمی از قلهها و درهها در میآید. این پدیده به ناپایداری میدان عمودی (Normal-field instabilit) معروف است. این ناپایداری توسط میدان مغناطیسی حفط میشود و میتوان نشان داد که در این حالت قرارگیری سطح مایع، انرژی کل آن کمینه است.
هنگام قرارگیری در این حالت، انرژی ناشی از کشش سطحی و نیز انرژی پتانسیل گرانشی سامانه افزایش مییابند، امابازای یک شدت بحرانیِ میدان اعمال شده، کاهش انرژی مغناطیسی بر افزایش انرژیهای گرانشی و ناشی از کشش سطحی غلبه میکند و انرژی کل سامانه کمینه میگردد.
کاربردها
در ساخت برخی ابزارهای الکترونیکی
از فروسیالها بهعنوان درزبندهای مایع در اطراف شافتهای گردندهی درایوِ هارددیسکها استفاده میشود. در اطراف و در مجاورتِ نزدیکِ شافتِ گردنده، آهنربا وجود دارد. مقدار کمی فروسیال که در گاف بین آهنربا و شافت واقع میشود با جذب شدنش به آهنربا در سرِ جایِ خود ثابت میمانَد و در عینِ حال به علتِ مایع بودن، اصطکاکِ چندانی با شافت گردنده، که در تماس با فروسیال است، ندارد. به این ترتیب فروسیال، همچون مانعی برای ورود چیزها و آت و آشغالهای ریز به داخلِ درایوِ هارد عمل میکند. مهندسین شرکت فروتک اعتقاد دارند درزبندی فروسیال روی شافتهای گردنده نوعاً فشارِ 3 تا 4 psi را تحمل میکند، اما این نوع درزبندها برای درزبندی انتقالی برای پیستونها مناسب نیستند و سیال بهطورِ مکانیکی به خارج از ناحیهی گاف مغناطیسی کشیده میشود. سازندگان متعدد دیگری نیز برای این نوع درزبندهای فروسیال وجود دارد.
در مهندسی مکانیک
فروسیالها خاصیت کاهش اصطکاک دارند و در شرایط خاصی میتوانند به عنوان روانکننده استفاده شوند.
همچنین ویژگیهای انتقال حرارت آنها هنگام قرارگیری در شرایط خاص کاربردهایی دارد.
در موارد نظامی
نیروی هواییِ آمریکا یک رنگ از نوع مادهی جاذب رادار (RAM یا Radar Absorbent Material) معرفی کرده است که هم از فروسیالها و هم از مواد غیرمغناطیسی ساخته شده است. با کاهشِ انعکاس امواج الکترومغناطیسی، این ماده کمک میکند که سطحِ مقطعِ راداریِ هواپیما کاهش یابد.
در هوا-فضا
ناسا استفاده از فروسیالها را در یک حلقهی بسته بهعنوانِ مبنایی برای یک سیستمِ کنترل حالتِ فضاپیماها آزمایش کرده است. یک میدان مغناطیسی، به یک حلقهی فروسیال اِعمال میشود تا اندازه حرکتِ زاویهای را تغییر دهد و روی گردش فضاپیما تأثیر بگذارد.
در تجهیزاتِ آنالیز
فروسیالها بهخاطرِ خواص انکساریشان کاربردهای اپتیکیِ متعددی دارند زیرا هر دانه یا میکروآهنربا در فروسیال، نور را بازتاب میکند. از جملهی این کاربردها، اندازهگیریِ ویسکوزیتهی ویژهی یک مایعِ واقع شده بینِ یک قطبنده (یا پلاریزور) و یک آنالیزور است که بهوسیلهی یک لیزرِ هلیم-نئون روشن میشود.
در پزشکی
از فروسیالها بهعنوانِ عاملِ کنتراست برای تصویربرداریِ تشدیدِ مغناطیسی (MRI) استفاده میشود که میتواند برای آشکارسازی سرطان قابلِ استفاده باشد. در این مورد، ذراتِ مغناطیسیِ فروسیال، نانو ذرات اکسید آهن هستند و SPION نامیده میشوند. همچنین آزمایشهای زیادی با استفاده از فروسیالها در یک عملِ جراحیِ آزمایشیِ سرطان، به نامِ فوقِ عملِ مغناطیسی، انجام شده است. اساسِ این عمل بر این واقعیت استوار است که یک فروسیالِ واقع شده در یک میدان مغناطیسیِ متناوب، گرما آزاد میکند.
در انتقال گرما
یک میدان مغناطیسیِ خارجیِ اِعمال شده بر یک فروسیال با فروگیریِ متغیر (که فروگیریِ متغیرِ آن مثلاً بر اثرِ یک شیبِ دما حاصل شده باشد) منجر به یک نیروی بدنهی مغناطیسیِ غیرِیکنواخت میشود که باعثِ ایجاد شکلی از انتقالِ گرما بهنامِ همرفت ترمومغناطیسی میشود. این شکل از انتقال گرما هنگامی میتواند مفید باشد که انتقال گرما در همرفت معمول کافی نباشد مثلاً در دستگاههای کوچک-مقیاسِ مینیاتوری یا تحت شرایط جاذبهی ثقلیِ اندک.
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.
در نورشناسی
تحقیقاتی برای درست کردنِ یک آینهی مغناطیسیِ متغیرالشکل از فروسیال برای تلسکوپهای نجومی مستقر بر روی زمین در راه است.
در هنر
بعضی از موزههای هنر و علوم، دستگاههای نمایشیِ ویژهای دارند که در آنها از آهنربا استفاده میشود تا فروسیال را به روشی فوارهگونه، وادار به حرکت (آرام) به گِردِ سطوحی که بهگونهی ویژهای شکل داده شدهاند نمایند تا میهمانان سرگرم شوند.
مراجع: ویکی پدیا (wikipedia.org) - راسخون (rasekhoon.net) مشکلی در گزارش این پست وجود دارد.
لطفاً تأیید کنید که می خواهید این عضو را بلاک کنید.
دیگر نمی توانید:
لطفا توجه داشته باشید: این عمل همچنین باعث حذف این عضو از دوستان شما و ارسال گزارش به مدیر سایت می شود. لطفاً برای تکمیل این فرآیند چند دقیقه صبر کنید.
Bitcoin: 12xqhSDEbwimy2yWKUo7MLVjAv1xwvcw4W
Tether: 0x144084aEe71F10C8d6fB5891BFD29c93570F4149