Магнитная жидкость. Старт в науке Материалы и инструменты

(ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипанию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил.

Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, поскольку не сохраняют остаточной намагниченности после исчезновения внешнего магнитного поля. На самом деле [ ] ферромагнитные жидкости являются парамагнетиками и их часто называют «суперпарамагнетиками» из-за высокой магнитной восприимчивости . Действительно ферромагнитные жидкости в настоящее время создать сложно. [ ]

Энциклопедичный YouTube

1 / 4

✪ Ферромагнитная жидкость/Ferrofluid

✪ Как сделать ФЕРРОМАГНИТНУЮ ЖИДКОСТЬ ИЗ БЕНГАЛЬСКИХ ОГНЕЙ!Ферромагнитная жидкость!How make ferrofluid

✪ МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ СВОИМИ РУКАМИ MAGNETIC FLUID LIQUID METAL ferrofluid ИГОРЬ БЕЛЕЦКИЙ

✪ Как сделать МАГНИТНУЮ ЖИДКОСТЬ

Субтитры

Описание

Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм или меньше) магнетита , гематита или другого материала, содержащего железо , взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле. Аналогичным образом ионы в водных растворах парамагнитных солей (например, водный раствор сульфата меди(II) или хлорида марганца(II)) придают раствору парамагнитные свойства.

Ферромагнитные жидкости это коллоидные растворы - вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый металл и жидкость , в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей , смазки , а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах.

Ферромагнитные жидкости устойчивы: их твердые частицы не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже в очень сильном магнитном поле. Тем не менее, ПАВ в составе жидкости имеют свойство распадаться со временем (примерно несколько лет), и в конце концов частицы слипнутся, выделятся из жидкости и перестанут влиять на реакцию жидкости на магнитное поле. Также ферромагнитные жидкости теряют свои магнитные свойства при своей температуре Кюри , которая для них зависит от конкретного материала ферромагнитных частиц, ПАВ и несущей жидкости.

Термин «магнитореологическая жидкость» относится к жидкостям, которые подобно ферромагнитным жидкостям затвердевают в присутствии магнитного поля. Разница между ферромагнитной жидкостью и магнитореологической жидкостью в размере частиц. Частицы в ферромагнитной жидкости это в основном частицы нанометровых размеров, находящиеся во взвешенном состоянии из-за броуновского движения и не оседающие в нормальных условиях. Частицы в магнитореологической жидкости в основном микрометрового размера (на 1-3 порядка больше); они слишком тяжелы, чтобы броуновское движение поддерживало их во взвешенном состоянии, и поэтому со временем оседают из-за естественной разности в плотности частиц и несущей жидкости. Как следствие, у этих двух типов жидкостей разные области применения.

Нестабильность в нормально направленном поле

Под воздействием довольно сильного вертикально направленного магнитного поля поверхность жидкости с парамагнитными свойствами самопроизвольно формирует регулярную структуру из складок. Этот эффект известен как «нестабильность в нормально направленном поле ». Формирование складок увеличивает свободную энергию поверхности и гравитационную энергию жидкости, но уменьшает энергию магнитного поля. Такая конфигурация возникает только при превышении критического значения магнитного поля, когда уменьшение его энергии превосходит вклад от увеличения свободной энергии поверхности и гравитационной энергии жидкости. У ферромагнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость , и для критического магнитного поля, чтобы возникли складки на поверхности, может быть достаточно маленького стержневого магнита.

Типичные поверхностно-активные вещества для ферромагнитных жидкостей

Чтобы обволакивать частицы в ферромагнитной жидкости используются, в частности, следующие ПАВ :

• полиакрилат натрия

ПАВ препятствуют слипанию частиц, мешая им образовать слишком тяжелые кластеры , которые не смогут удерживаться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения. В идеальной ферромагнитной жидкости магнитные частицы не оседают даже в очень сильном магнитном или гравитационном поле. Молекулы ПАВ имеют полярную «головку» и неполярный «хвост» (или наоборот); один из концов адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицеллу вокруг частицы. В результате пространственные эффекты препятствуют слипанию частиц. Полиакриловая, лимонная кислоты и их соли формируют на поверхности частиц двойной электрический слой в результате адсорбции полианионов, что приводит к возникновению кулоновских сил отталкивания между частицами, повышающей стабильность жидкости на водной основе.

Хотя ПАВ полезны для того, чтобы продлить время осаждения частиц в ферромагнитной жидкости, они оказываются вредны для её магнитных свойств (в особенности, для магнитного насыщения жидкости). Добавление ПАВ (или других посторонних веществ) уменьшает плотность упаковки ферромагнитных частиц в активированном состоянии жидкости, тем самым уменьшая её вязкость в этом состоянии, давая более «мягкую» активированную жидкость. И хотя для некоторых применений вязкость ферромагнитной жидкости в активированном состоянии (так сказать, её «твердость») не очень важна, для большинства коммерческих и промышленных форм применения это самое главное свойство жидкости, поэтому необходим определённый компромисс между вязкостью в активированном состоянии и скоростью осаждения частиц. Исключение составляют ПАВ на основе полиэлектролитов , позволяющие получить высококонцентрированные жидкости с малой вязкостью.

Применение

Электронные устройства

Ферромагнитная жидкость используются в некоторых высокочастотных динамиках для отвода тепла от звуковой катушки. Одновременно она работает механическим демпфером , подавляя нежелательный резонанс . Ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре вокруг звуковой катушки сильным магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными поверхностями и с катушкой.

Машиностроение

Ферромагнитная жидкость способна снижать трение . Нанесенная на поверхность достаточно сильного магнита, например неодимового , она позволяет магниту скользить по гладкой поверхности с минимальным сопротивлением.

Оборонная промышленность

Авиакосмическая промышленность

Медицина

Ведется много экспериментов по использованию ферромагнитных жидкостей для удаления опухолей .

Теплопередача

Если воздействовать магнитным полем на ферромагнитную жидкость с разной восприимчивостью (например, из-за температурного градиента) возникает неоднородная магнитная объемная сила, что приводит к форме теплопередачи называемой термомагнитная конвекция. Такая форма теплопередачи может использоваться там, где не годится обычная конвекция , например, в микроустройствах или в условиях пониженной гравитации .

Уже упоминалось использование ферромагнитной жидкости для отвода тепла в динамиках. Жидкость занимает зазор вокруг звуковой катушки, удерживаясь магнитным полем. Поскольку ферромагнитные жидкости обладают парамагнитными свойствами, они подчиняются закону Кюри - Вейса , становясь менее магнитными при повышении температуры. Сильный магнит, расположенный рядом со звуковой катушкой, которая выделяет тепло, притягивает холодную жидкость сильнее, чем горячую, увлекая горячую жидкость от катушки к кулеру . Это эффективный метод охлаждения, который не требует дополнительных затрат энергии.

Генераторы

Замороженная или полимеризованная ферромагнитная жидкость, находящаяся в совокупности постоянного (подмагничивающего) и переменного магнитных полей, может служить источником упругих колебаний с частотой переменного поля, что может быть использовано для генерации ультразвука .

Горнорудная промышленность

Ферромагнитная жидкость может быть использована в составе магнитножидкостного сепаратора для очистки от

Прошло 52 года с тех пор, как сотрудник NASA Стив Папелл изобрел ферромагнитную жидкость. Он решал вполне определенную задачу: как в условиях невесомости заставить жидкость в топливном баке ракеты подходить к отверстию, из которого насос перекачивал топливо в камеру сгорания. Тогда-то Папелл и придумал нетривиальное решение — добавлять в топливо какую-нибудь магнитную субстанцию, чтобы с помощью внешнего магнита управлять перемещением топлива в баке. Так на свет появилась ферромагнитная жидкость.

В качестве магнитного вещества Папелл использовал магнетит (Fe 3 O 4), который по специальной технологии размельчал (перетирал в смеси с олеиновой кислотой) в течение многих дней. Получалась устойчивая коллоидная суспензия, в которой стабильно существовали крошечные частички магнетита размером 0,1—0,2 микрона. Олеиновая кислота в этой системе играла роль модификатора поверхности, который не давал частицам магнетита слипаться. Патент С.Папелла US 3215572 A (Low viscosity magnetic fluid obtained by the colloidal suspension of magnetic particles) открыт, и его можно посмотреть в Интернете. Классический состав ферромагнитной жидкости — 5% (по объему) магнитных частиц, 10% модификатора поверхности (олеиновая, лимонная или полиакриловая кислоты и др.). Остальное — органический растворитель, включая жидкие масла.

Интерес к магнитным жидкостям оживился в последние годы, и сегодня они нашли уже множество применений. Если нанести такую жидкость на неодимовый магнит, то магнит будет скользить по поверхности с минимальным сопротивлением, то есть трение резко уменьшится. На основе ферромагнитной жидкости в США делают радиопоглощающие покрытия на самолеты. А создатели знаменитого Ferrari используют магнитореологическую жидкость в подвеске автомобиля: манипулируя магнитом, водитель может сделать подвеску в любой момент более жесткой или более мягкой. И это лишь несколько примеров.

Магнитная жидкость — удивительный материал. Стоит поместить ее в магнитное поле, как разрозненные магнитные частицы объединяются и выстраиваются вдоль силовых линий поля, превращаясь во вполне твердое вещество. Сегодня фокусы с магнитной жидкостью, которая при соприкосновении с магнитом превращается в безупречных с точки зрения симметрии ежиков или кактусы, показывают на многих развлекательных шоу. Конечно, ферромагнитную жидкость можно купить, но ведь гораздо интереснее сделать самому.

Мы писали о том, как получить самозатвердевающую магнитную жидкость, которая позволит рассмотреть структуры, образованные магнитными частицами, под микроскопом («Химия и жизнь», 2015, №11).А вот еще один рецепт самодельной ферромагнитной жидкости. Возьмите 50 мл тонера для лазерного принтера. Этот порошок не менее чем на 40% состоит из магнетита, размер частиц которого — 10 нанометров и меньше. В тонере также обязательно присутствует модификатор поверхности, чтобы наночастицы не слипались. К 50 мл тонера добавьте 30 мл растительного масла (две столовые ложки) и тщательно перемешайте, не жалея на этот процесс времени. Получится черная однородная жидкость, похожая на сметану. А теперь налейте ее в плоскую стеклянную емкость с бортиками, чтобы толщина слоя была не меньше сантиметра. Поднесите магнит под донышко емкости, и в этом месте в жидкости сразу же возникнет жесткий ежик. С помощью магнита его можно перемещать. Если же вы поднесете магнит к поверхности жидкости или сбоку, то жидкость буквально выскочит навстречу магниту, так что будьте осторожны. Чтобы избежать этой неприятности, можно поместить магнитную жидкость в небольшую стеклянную коническую колбу, заполнив ее наполовину или чуть меньше. Наклоните колбу, чтобы образовался слой жидкости вдоль ее стенки, и поднесите магнит к стеклу.

Успех зависит от силы магнита (неодимовый магнит небольшого размера можно купить в магазинах) и качества тонера. В последнем случае надо быть уверенным, что он содержит магнитный порошок.

Феррофлюид , он же магнитная жидкость — на редкость загадочная и любопытная штуковина. Впервые я его увидел лет десять тому назад, в парижском Музее науки и техники, где в качестве одного из экспонатов была представлена наглухо закрытая стеклянная посудина с маслянистой чёрной жижей внутри. Рядом лежала пара магнитов. При поднесении их в посудине жидкость реагировала, вставая эдаким ежом и образуя повторяющую форму магнита картину довольно угрожающего вида шипов. Там же было кратенькое описание, что это такое и чем его закусывают. Тогда я и узнал это название — феррофлюид. Разумеется, страстно возжелал, но тогда совершенно не было ни идей где его взять, ни возможностей для этого. И вот, спустя десять лет…

Феррофлюид, по сути, представляет собой взвесь наночастиц ферромагнетика (обычно магнетита), размерами около 10 нм (реже — больше), размешанных в поверхностно-активном веществе (органический растворитель типа олеиновой кислоты, или вода), которое образует вокруг наночастиц эдакую плёнку, не давая им слипаться. Под воздействием магнитного поля частицы выстраиваются по его линиям, образуя эти свои характерные иголки. В принципе, вряд ли мне удастся описать свойства феррофлюида лучше, чем в Вики , поэтому желающих узнать побольше теории отсылаю туда.

Искомую заветную баночку я отыскал на Ебее, как и многое другое. Ценник не очень обрадовал, но альтернатив практически не было (к слову, на supermagnete.de она раза в четыре дороже), поэтому пришлось заказывать. И вот, месяц спустя, баночка наконец у меня. 8 унций этой странной чёрной хрени.
Первое, что обнаружилось — она дико пачкается. Если капля феррофлюида попала на светлую одежду, это пятно не выведется НИЧЕМ. И очень, очень желательно при работе с ним надевать перчатки. Второе — она дико брызгается. Капли обнаруживались в самых непредсказуемых местах. И третье — ввиду сочетания первых двух свойств этой баночки хватит весьма ненадолго 🙁

Собственно, как выяснилось после нескольких экспериментов, для получения действительно интересных картин распределения частиц необходимо иметь мощные электромагниты и фигуры со сложной формой края (типа свёрел, шестерёнок и т.п.), причём по-хорошему электромагнит надо мотать именно на самом этом предмете. Развлечения же с постоянными магнитами любопытны, но, во-первых, мои магниты довольно слабые для получения больших картин, и, во-вторых, это развлечение минут на пять, поскольку поведение жидкости оказывается довольно однообразным.

Тем не менее пока что удалось придумать более или менее красочный вариант использования постоянных магнитов с ферромагнитной жидкостью: надо подносить магнит не снизу, а сверху (разумеется, через прослойку стекла или пластика), и тогда можно наблюдать, как из центра мисочки с феррофлюидом вырастает колонна, а стекло под магнитом начинает топорщится иглами перетекающей жидкости. Кроме того, сила гравитации, тянущая жидкость вниз, заметно увеличивает длину иголок.

Феррофлюид необычайно тяжело качественно сфотографировать. Ввиду его очень резкого глянцевого отражения света и полной черноты в любом хоть сколько-либо заметно толстом слое (кстати, в очень тонком он коричневый) заснять границы шипов оказывается затруднительно. Но в итоге я придумал что делать: снимать с выдержкой секунд пять, и за это время махать фонариком, освещая ежа из налипшего феррофлюида с разных сторон.

Кстати, феррофлюид можно попробовать сделать своими руками. Поскольку я пока не пробовал, не буду вдаваться в подробности, но когда доберусь — непременно распишу, что и как. Основная сложность заключается в необходимости центрифугирования взвеси, но можно попробовать обойтись подручными средствами, ибо центрифуги всё равно нету.

Отдельно хотелось бы упомянуть феррофлюидные скульптуры. Это то, к чему буду стремиться и что хочу в итоге от него получить. Очень завораживающее зрелище, особенно левитирующие.

Магия и волшебство магнитной жидкости просто поражает воображение! Фантастически красивые узоры и скульптуры получатся без особого труда у любого желающего. Это отличная физическая игрушка для снятия напряжения и не только.

Как сделать феррожидкость

В этом видео вы увидите очень красивый и интересный эксперимент химической реакции между магнитом и чернилами из принтера.

обсуждение

papixs
кто имел дело с тонером понимает, что тонер – это “твердая вода”. Если когда ты картридж заправляешь и случайно дернул бутыль с тонером – он разлетается по всей комнате, если в картридже хоть 0. 01 мм дырка есть – тонер через эту нано дырку выливается. Короче страшная вещь этот тонер.

сергей
берешь магнит, жжешь костер из старых досок, в золе полно мельчайшей пыли которая магнитится к магниту, таким образом добываешь мельчайший магнитный порошок.

данил степанюк
алекс сапс подойдёт тонер для лазерных принтеров берёшь его и берёшь подсолнечное масло и смешиваешь это и у тебя получается магнитная жидкость. Рад помочь.

Vitali mikhaliuk
мне нужно было много (пару литров) и купить ее в таком объеме – дорого. Воспользовался данной инструкцией. Нашел килограмм fcpc тонера от hp (в свое время занимался заправкой принтеров и просто валялась банка). Кстати, было несколько банок тонера. Какой из них использовать – определил так: просто взял неодимовые магниты и прилаживал к банке. К которой с большей силой примагнитился – тот и взял.

Залил подсолнечным маслом и размешал – получил то, что хотел. Но правильно здесь писали уже: никакой красоты не получите, более того – если постоит – будет осадок. А это во многих случаях недопустимо. Для моих же целей сгодилось вполне, возможно – позже выложу ролик, что же я такое схимичил.

Девелопер не пошел. Конечно, очень круто что он реально магнитится очень сильно, ниодимовый магнит не оторвать от банки. Но зерна слишком крупные, постоянно в осадок падает, не держит вокруг себя пленку. А как раздробить его я так и не придумал (впрочем – и не старался; наверняка можно было бы что-нибудь придумать).

Татьяна Альбертовна,
Вы, конечно, правы - ионная связь карбоксильной группы сильнее донорно-акцепторной амина. Но в последнем случае меньше нарушается электронная структура поверхностного слоя частицы, что особенно важно для нанообъектов (с уменьшением размера возрастает доля атомов на поверхности). Этаноламины и не должны стабилизировать магнетит, т.к. 1) маленькая молекула, стерический фактор недостаточный 2) гидрофильная, не препятствует контакту частицы с водой (и растворенным кислородом). Всё-таки, олеиламин может быть интересным стабилизатором (или смесь с олеинкой). Вопрос не в тему: а Вы не пробовали получать магнетит (первая стадия, соосаждение) в магнитном поле? Должно получиться что-нибудь упорядоченное (палочки, например) :))
Владимир Владимирович,
по литературным данным Fe(III) может окислять ненасыщенные жирные кислоты. Иначе говоря, с помощью олеинки гематит можно перевести в магнетит. Вот забавный (как раз для Ангелины Валерьевны:)

Александр Борисович, насчет этаноламинов я с Вами абсолютно согласна.
Я пыталась использовать их для стабилизации магнетита еще лет 20 назад, когда только нащупывались подходы к синтезу магнитных жидкостей. Попытки создать устойчивые коллоидные системы сопровождались постоянным поиском чего-то нового. Без ошибок, пусть даже очевидных с точки зрения теории, никогда не будет результата и понимания.

…ионная связь карбоксильной группы сильнее донорно-акцепторной амина. Но в последнем случае меньше нарушается электронная структура поверхностного слоя частицы, что особенно важно для нанообъектов…
Для нас важна, прежде всего, энергия адсорбционного взаимодействия. Как я понимаю, чем больше энергия, тем сильнее изменения в электронной структуре поверхностного слоя в результате хемосорбции, и наоборот. Всё логично. Вопрос: носят ли для частиц магнетита со средним диаметром 10 нм такие изменения негативный характер? Или наоборот. Как раз в этом случае, изменения электронной структуры поверхностного слоя как следствие хемосорбции делают адсорбционные взаимодействия ещё сильнее, а значит, только помогают решить одну из первоочередных задач при синтезе МЖ – стабилизацию частиц дисперсной фазы.

Всё-таки, олеиламин может быть интересным объектом (или смесь с олеинкой).
Будет возможность, обязательно попробуем.

Иначе говоря, с помощью олеинки гематит можно перевести в магнетит.
Интересно получается. Для магнетита, стабилизированного ПАВ, получаем соотношение 2-х и 3-х валентного железа 1:8. Это уже не магнетит!?
А если адсорбировать олеинку на частицах гематита, то получим истинный магнетит?