Магнітна рідина: унікальні властивості, приклади застосування
Магнітні матеріали використовуються у вигляді дуже дрібних частинок, часто це наночастинки (дисперсії наночастинок в рідинах). Найпоширеніша магнітна рідина на даний момент – дисперсія магнетиту в органічному розчиннику або в воді. Вона так широко поширена у зв`язку з тим, що магнетит легко добути з одного розчину при температурах не вище температури кипіння води при взаємодії солей заліза 2 і заліза 3 в лужної або слабо лужному середовищі. Частинки виходять дуже дрібними, можна регулювати їх розмір, вони виявляються суперпарамагнітними. Використовуючи поверхнево-активні речовини, можна отримати досить концентровані розчини у воді, але ще більш концентровані розчини виходять в органічному розчиннику. Такі рідини взаємодіють з магнітним полем, вони змінюють форму своєї поверхні, набуваючи вигляду стрижнів або голочок. Їх використовують як ущільнювачі, невитікаюче мастило. Магнітні властивості окремих частинок теж можна використовувати для інших застосувань, наприклад, в медицині, де намагаються використовувати дисперсний магнетит для гіпертермії, нагрівання певної ділянки тіла або внутрішнього органу для знищення дефектних клітин (ракових), які знищуються при меншій температурі, ніж нормальні. Для цього вводиться така рідина до відповідного органу або намагаються через кров зібрати магнітні частинки магнітним полем в певному органі, потім впливають змінним магнітним полем. При використанні суперпарамагнітних наночастинок необхідні досить високочастотні магнітні поля. В таких умовах ці частинки нагріваються, поглинають велику кількість тепла і навколо створюють теплове поле підвищеної температури. Відбувається локальне знищення шкідливих клітин. За допомогою магнітного поля можна збирати ці частинки, тому за допомогою них можлива доставка ліків, які теж можливо пришити до наночасток. Також магнітні рідини використовуються в якості міток для магнітної томографії. Суперпарамагнітні частки впливають на часи релаксації протонів в довколишніх клітинах і таким чином можна набагато чіткіше визначити різні захворювання і достатньо добре локалізувати їх, а також з високою чутливістю визначити зміни, які відбуваються в клітинах. Для того, щоб такі мітки працювали, на частинки магнетиту пришивають спеціальні молекули, які мають перевагу збиратися в відповідних місцях організму.
Інший варіант таких магнітних рідин – дисперсії мікрочастинок в магнітних рідинах. Для дисперсії наночастинок в`язкість такої рідини не сильно змінюється в магнітному полі, і з нею можна працювати і в магнітному полі, і за його відсутності. Якщо зробити дисперсії великих часток в магнітних рідинах, то виявляється, що у відсутності магнітного поля це досить рідка система, в`язкість її невелика, але при включенні магнітного поля в`язкість різко збільшується і вся система твердне. Такі дисперсії намагаються використовувати для керованої передачі механічного зусилля, наприклад, в зчепленні деяких автомобілів. Зчеплення відбувається при включенні магнітного поля при затвердінні рідин. Таким же методом в амортизаторі можна варіювати в`язкість.
Дисперсії магнітотвердих наночастинок – ще один варіант магнітних рідин. Це дозволяє створювати дисперсії суперпарамагнітних наночастинок. У них магнітний момент весь час змінює свій напрямок, і вони не сильно притягуються один до одного навіть в магнітному полі. У магнітотвердих же частках магнітний момент зафіксовано, це постійні магніти. Вони будуть орієнтуватися один щодо одного і, притягаючи, утворювати великі агрегати і випадати в осад, що найчастіше і відбувається. Спроби створити рідини з магнітотвердих часток не були вдалими до тих пір, поки не зменшили розміри цих частинок і вони не ставали суперпарамагнітними, тоді всі властивості від цього зникали. Всі розрахунки показували, що якщо взяти магнітотверді частинки розміром кілька десятків нанометрів, то такі рідина зробити не можливо із-за взаємного тяжіння. Але розрахунки проводилися виходячи з найпростіших моделей (сферичні частинки), але від форми частинок теж багато що залежить. Якщо взяти голчасті частинки і в їх магнітний момент буде спрямований уздовж великого розміру часток, то вони будуть ще сильніше агрегуватися за рахунок диполь-дипольної магнітної взаємодії. Але якщо взяти пластинчасті частинки, і спонтанний магнітний момент буде спрямований перпендикулярно платівці (енергетично невигідно для магніту, але здійснюється для магнітних анізотропних речовин), такі дисперсії стійкі і створюються просто. Але за рахунок ефекту тяжіння і відштовхування, колоїдний газ частинок конденсується в колоїдну рідину. Виходить мимовільний концентрований розчин таких частинок. Вони можуть координуватися в різні структури. Такі частинки також мають оптичну анізотропію, якщо вони якимось чином орієнтовані, то відбувається поляризація падаючого випромінювання.
У всіх наведених матеріалах експлуатуються не тільки магнітні властивості, а й додаткові (електричний опір, п`єзоелектричні властивості, поляризація носіїв заряду, виділення тепла).