Fyzmatik | Feromagnetická kapalina

Existují kapaliny, u nichž se významně projevuje interakce mezi kapalinou a magnetickým polem. Tyto kapaliny se tak staly materiály, které nalézají výhodné využití v různých oblastech techniky, biochemie a lékařství, a lze očekávat, že se v budoucnu budou rozšiřovat jejich aplikace. Vznikl obor nazývaný ferohydrodynamika, který zkoumá interakci mezi magnetickým polem a magneticky polarizovatelnou, elektricky nevodivou kapalinou.

Magnetické kapaliny (koloidní ferokapaliny, ferofluida, nanokompozitní magnetika) byly vyvinuty v 60. letech 20. století v NASA pro řízení toku tekutého paliva kosmických raket v beztížném stavu magnetickým polem. Dnes se pro tento účel již nepoužívají, ale nalezly využití v mnoha dalších oblastech.

Magnetické kapaliny jsou suspenze velmi jemných feromagnetických nebo ferimagnetických částic v nosné kapalině. Tyto částice mají přibližně kulový tvar a průměr zpravidla 3 až 15 nm, a proto se nazývají nanočástice. Nanočástice lze zobrazit elektronovým mikroskopem. Nanočástice jsou z práškového železa nebo z látky obsahující ionty Fe2+ nebo Fe3+ (např. oxid železa - magnetit Fe₃O₄), niklu, feritu aj. Každá nanočástice má magnetický moment, tj. představuje miniaturní permanentní magnet. Nanočástice se v nosné kapalině (např. vodě, minerálním nebo syntetickém oleji, glykolu aj.) pohybují náhodným tepelným (Brownovým) pohybem. Nepůsobí-li na kapalinu magnetické pole, jsou magnetické momenty nanočástic náhodně orientovány a kapalina se navenek jeví jako nemagnetická. Chemické a mechanické vlastnosti magnetické kapaliny určuje nosná kapalina, kdežto její magnetické vlastnosti určují nanočástice a jejich koncentrace.

Základním problémem pro průmyslové využití ferokapalin je jejich koloidní stabilita. Magnetická kapalina je koloidně stabilní, nedochází-li vlivem přitažlivých sil (van der Walsových a magnetických sil) mezi nanočásticemi ke shlukování jejích magnetických nanočástic. Dociluje se toho tím, že jednotlivé nanočástice jsou pokryty ochranným polymerním obalem (detergentem), který zabraňuje přímému kontaktu mezi nanočásticemi. Tento polymer je tvořen dlouhými řetězci polárních molekul (např. kyseliny mastné). Každý řetězec je svým jedním koncem pevně vázán s magnetickou nanočásticí a svým druhým koncem je volněji přitahován molekulami nosného média. Délka řetězce je asi 1 až 2 nm. Vrstva polymerního obalu vyvolá odpuzovací síly mezi nanočásticemi.

Působí-li na magnetickou kapalinu magnetické pole, budou se její suspendované nanočástice stáčet do směru magnetického pole. Na nanočástice - a s nimi na celou magnetickou kapalinu -budou působit magnetické síly. Magnetická kapalina je vtahována do magnetického pole ve směru jeho intenzity.

Typická ferokapalina objemově obsahuje 5 % pevných magnetických látek, 10 % detergentu a 85 % nosné kapaliny. Její magnetizace je asi 1,3 T a pracovní teplota se může pohybovat od -125 do 200 °C.

U ferokapalin má závislost magnetické indukce (B) na intenzitě magnetického pole (H) obdobný průběh jako u feromagnetik: s rostoucím H se B asymptoticky blíží hodnotě ve stavu nasycení. Ferokapaliny se z fyzikálního hlediska chovají přibližně jako paramagnetika - bývají označovány jako superparamagnetika.          

S rostoucí teplotou ferokapaliny klesá hodnota její magnetické susceptibility Xm, až při Curieově teplotě (Tc) zcela ztrácí své magnetické vlastnosti: Xm = 0, tedy její relativní permeabilita je Ur = 1. Zatímco u feromagnetik nebo ferimagnetik je vždy jejich Curieova teplota Tc < Tt, kde Tt je teplota tavení, tj. magnetické domény těchto látek vždy ztrácejí svou spontánní magnetizaci, dříve než přejdou do kapalného stavu (např. pro železo je Tc = 770 °C, Tt = 1 535 °C), ferokapaliny jsou stále v kapalném stavu.         

Magnetické pole výrazně mění některé fyzikální vlastnosti ferokapalin. Jednou z důležitých vlastností ferokapalin je výrazné zvýšení jejich viskozity, s rostoucí intenzitou magnetického pole - tzv. magnetoviskózní jev. Vlivem detergentových řetězců však zůstává magnetická kapalina tekutá i v silném magnetickém poli.     

Pro mnohé aplikace je důležitá dynamika tohoto působení. Odezva viskozity na změnu vnějšího magnetického pole se pohybuje v řádu milisekund. Pro chování magnetických kapalin v magnetickém poli je též důležitý časový průběh magnetického pole: jinak působí na magnetickou kapalinu stejnosměrné pole, jinak střídavé pole (působení závisí na jeho frekvenci) a jinak pulsní pole. V časově proměnném magnetickém poli dochází vlivem ztrát (hysterezních a vířivými proudy) při přemagnetování nanočástic k jejich ohřevu, a tím též k ohřevu magnetické kapaliny. Viskozita ferokapalin se mění s teplotou kapaliny tak, že s růstem teploty viskozita klesá, a to přibližně exponenciálně. Změny teploty chemicky znehodnocují detergentové řetězce na povrchu nanočástic, čímž snižují reverzibilitu změn viskozity. Vyšší teplota a teplotní změny zkracují životnost magnetických kapalin. Životnost ferokapalin se počítá se na roky.        

Magnetické pole mění i další vlastnosti ferokapalin, např. jejich optické vlastnosti. Ferokapaliny mají magneticky anizotropní charakter. Koloidní ferokapaliny se vesměs získávají synteticky, v přírodě se volně nevyskytují. Pro jejich výrobu bylo vypracováno několik technologických postupů, které jsou většinou chráněny patenty. Mezi nejstarší způsob výroby ferokapalin patří fyzikálně-chemický postup založený na dlouhodobém mechanickém drcení feromagnetických (nejčastěji magnetitových nebo feritových) částic. Tento proces trvá až 1 000 hodin a probíhá za přítomnosti vhodného detergentového roztoku; je označován jako mokré mletí. Následuje odstředivá separace hrubších částic. Rychlejší jsou výrobní technologie, které jsou založeny na různých fyzikálně-chemických procesech, např. na chemické precipitaci (vylučování) magnetických částic z roztoků železitých solí nebo na elektrolýze, odpařování, vločkování apod. Finální částí chemické výroby magnetických kapalin je opět jejich čištění (tj. odstranění větších nanočástic odstřeďováním nebo sedimentací za působení gravitace nebo nehomogenního magnetického pole) a ředění, aby bylo dosaženo vhodné koncentrace nanočástic.     

V některých aplikacích se používají magnetické kapaliny, které obsahují nekoloidní suspenzi feromagnetických mikročástic. Velikost částic je v řádu mikrometrů, jsou tudíž až o tři řády větší než nanočástice ferokapalin. Mikročástice jsou multidoménové (tedy nikoliv jednodoménové, jako je tomu u nanočástic), a pokud nejsou magneticky polarizovány, nemají magnetický moment. Jejich suspenze v nosné kapalině se nazývá magnetoreologická kapalina. V porovnání s ferokapalinami obsahují podstatně větší podíl pevných látek - až 70 %. Od ferokapalin s nanočásticemi se liší především tím, že vnější magnetické pole extrémně zvyšuje jejich viskozitu, kapaliny ztrácejí svou tekutost a ztuhnou, tj. vykazují silný magnetoviskozní jev; to může být u mnohých aplikací vítané. Magnetoreologické kapaliny však zpravidla nejsou stabilní (magnetické částice sedimentují), což jejich použitelnost v praxi silně limituje. Cílem současného výzkumu je vyvinout stabilní magnetoreologické kapaliny.

V klipu vidíte různé experimenty s koloidálním vodním roztokem nanočástic magnetitu Fe₃O₄. Vzniklá feromagnetická kapalina reaguje velmi rychle na pohyby magnetu. Při silných magnetických polích vytváří ježaté útvary. V budoucnu se počítá s využitím ferokapalin v různých technologiích, například k výrobě astronomických zrcadel, která budou magnetickými poli snadno deformovatelná do libovolného tvaru. Vysokofrekvenční deformace mohou kompenzovat vliv turbulencí v zemské atmosféře.