НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Магнитные жидкости, содержащие магнитные наночастицы

Т. Кейдер[31]

Ферромагнитные жидкости, впервые полученные в их современной форме в начале 1960-х гг., представляют собой коллоиды из магнитных наночастиц (ди­аметром около 10 нм), покрытых поверхностно-активным веществом (ПАВ) и взвешенных в каком-либо носителе (дисперсионной среде). ПАВ обеспечива­ет стабильность коллоида, а в качестве носителя может использоваться транс­форматорное масло, вода или керосин. Наночастицы ведут себя как полностью независимые постоянные магниты, поэтому полная намагниченность такой ферромагнитной жидкости равна нулю до тех пор, пока к ней не прикладыва­ется магнитное поле (рис. 5.4). Поведение коллоида в магнитном поле опреде­ляется характером поля. Например, во вращающемся магнитном поле наноча-

Стицы начинают вращаться, вовлекая в свое движение и жидкость-носитель. Принципиальное отличие ферромагнитных жидкостей от обычных жидкостей состоит в том, что внутри этих жидкостей при наложении поля возникают объ­емные и поверхностные силы (а также связанные с ними вращающие момен­ты), в результате чего наблюдаются необычные гидромеханические явления [18]. Магнитные жидкости типа магнитореологических суспензий (с более крупными частицами, размером > 100 нм), в отличие от ферромагнитных жид­костей, в сильных магнитных полях проявляют тенденцию к «застыванию».

В современных устройствах ферромагнитные жидкости используются в очень небольших количествах (~ 10 мл), что обусловлено их высокой стоимостью. Текущие применения (объем рынка составляет примерно 30—60 млн. долл.) включают:

• Герметики (для защиты от загрязнений) в приводных устройствах диско­водов ПК; оборудование для выращивания полупроводниковых кристал­лов; медицинское оборудование (устройства для получения ЯМР-изобра - жений и компьютерной сканирующей томографии).

• Вакуумные уплотнители для высокоскоростных высоковакуумных шпин­делей с электрическим приводом.

• Вязкостные глушители колебаний в воздушных зазорах шаговых двигате­лей, используемых в самолетах и других аппаратах.

В ближайшие 3—5 лет ожидается появление новых областей применения ферромагнитных жидкостей, что потребует интенсивных исследований их по­ведения главным образом в постоянных и переменных магнитных полях, а так­же при разных температурных режимах (нагрев, изотермические условия). Не­обходимо развить теоретические представления о поведении таких жидкостей в переменных полях, в частности, сформулировать граничные условия на стен­ках сосуда, когда жидкость вращается как целое. Для любых практических применений необходимо дополнительно исследовать термофизические харак­теристики ферромагнитных жидкостей (включая диэлектрические характери­стики). Сейчас разрабатываются устройства с ферромагнитными жидкостями для следующих областей применения:

• Улучшенные методы охлаждения и электроизоляции силовых трансфор­маторов.

• Магнитное обогащение руды и сортировка металлолома.

Успех в практическом применении ферромагнитных жидкостей даже в од­ной из этих крупномасштабных областей мог бы привести к значительному снижению цены на эти жидкости и открыл бы путь к многим другим примене­ниям. Например, объем (выраженный через доход) потенциального рынка трансформаторов с использованием ферромагнитных жидкостей можно оце­нить в 0,5—1 млрд. долл.

Долгосрочная перспектива (на срок более 5 лет) применения магнитных жидкостей обсуждалась в специальной литературе и представляется многообе­щающей. В Центре НАСА по исследованию микрогравитации изучают поведе­ние магнитных жидкостей в условиях почти полного отсутствия гравитации с целью поддержания процессов свободной конвекции с помощью не силы тя­жести, а магнитной силы. Магнитное манипулирование наночастицами в фер­ромагнитных жидкостях создает уникальную возможность дистанционного регулирования их параметров (давления, вязкости, электропроводности, теп­лопроводности и оптической проницаемости). В долгосрочной перспективе намечаются следующие применения:

• Развитие методов охлаждения и изоляции силового оборудования с исполь­зованием ферромагнитных жидкостей на крупных обитаемых космических станциях.

• Разработка наноразмерных подшипников, в которых будут осуществляться одновременно удерживание и смазка вращающегося внутри втулки вала.

• Разработка методов магнитного регулирования теплопроводности для точ­ного контроля температуры малых устройств, например электронных ком­понентов.