磁性流体について詳しく解説

導入

磁性流体

磁性流体は、サイズが10 ナノメートル程度の強磁性、フェリ磁性、または超常磁性のナノ粒子を溶媒または水に溶かしたコロイド溶液です。これらの液体は、外部磁場が印加されると磁性を帯びます。場合によっては、磁場が十分であれば、磁場のパラメータに応じてトポロジーが変化する点が林立します。これらの点は、触れると変形するため、あまり剛性が高くありません。指によって加えられる力が流体の凝集力よりも優先されます。それらは非常に多様な分野に応用されています。

磁性流体は、最も一般的には磁鉄鉱またはマグヘマイトのナノ粒子で構成されており、どちらも酸化鉄です。

一般的な

歴史的

構成

磁性流体の組成には、固体磁性粒子とそれらが浸されるキャリア液体という 2 つの成分が含まれます。

固体粒子

磁性酸化物、主にフェライト粒子は、磁性流体で使用される粒子の大部分を構成します。これらを得るために、水性混合物の粉砕またはアルカリ化を実行します。

粒子は、ニッケル、コバルト、鉄などの金属タイプのものにすることもできます。これらの粒子の利点は、強い磁化であることです。ただし、急速な酸化により、この磁化が減少または消失します。

キャリア液

次の 2 つのタイプがあります。

• 有機溶媒: 主に商業用途に使用され、高温安定性が必要です。例としては、脂肪族炭化水素、カルボン酸ジエステル、シリコーンオイル、ポリフェニルエーテルなどが挙げられます。
• 極性溶媒: 主に医療用途で使用されます。水とアルコールは重要な例です。

キャリア液体の別の例は、高い熱伝導性と電気伝導性を備えた金属流体である水銀です。ただし、水銀は粘性があります。

安定性

安定性に関する一般的な情報

磁性流体の特定の特性を利用できるようにするには、磁場の作用下でも磁性流体が安定していなければなりません (沈降してはならず、均質なままでなければなりません)。この安定性は、粒子のサイズや特定の力などのいくつかのパラメータに依存します。磁性流体粒子が受ける力は次のとおりです。

• ファン デル ワールスエネルギー。近距離での引力であり、その値は粒子のサイズに比例します。
• 磁気エネルギー。ナノ粒子間の双極子間相互作用に対応します。磁場を加えると魅力的になります。
• 粒子間反発。
• 熱撹拌のエネルギーに対応するエントロピー項。
• 重力

引力が斥力よりも勝っている場合、磁性流体はもはや安定ではありません。これにより、液体がいくつかの相に分離されたり、ナノ粒子が沈殿したりします。

磁性流体を安定させるにはどうすればよいでしょうか?

粒子の可溶化における界面活性剤の役割

非極性環境では

界面活性剤は、親水性部分（粒子との親和性が高い）と疎水性部分（溶媒に溶ける）で構成されています。

親水性部分は粒子に付着し、疎水性部分は溶媒に付着し、液体と固体の界面を形成するため、2 つの成分が結合します。

極地環境では

この場合、粒子は帯電している必要があります。粒子を疎水性にする界面活性剤の最初の層を置きます。第 2 層により、粒子は溶媒に対して極性基を提示できるため、容易に可溶化されます。

物理的性質

磁気特性

ガラス板上の強磁性流体が強い磁場にさらされると、スパイクが形成されます。

磁性流体は非常に強力な磁気特性を持っています。

• 磁性流体が磁場の影響を受けない場合、ナノ粒子によって運ばれる磁気モーメントはランダムに配向されます。したがって、流体の総磁化はゼロになります。
• 磁性流体が磁場にさらされると、磁化が観察されます。粒子のモーメントは、粒子が受ける磁場と一致する傾向があります。

ナノ粒子は、強磁性、フェリ磁性、または超常磁性のいずれかになります。ただし、粒子が超常磁性であれば、磁化の方向が熱撹拌によって自発的に変化し、粒子間の磁気相互作用が減少するため、磁性流体の安定性が促進されます。飽和時の磁性流体の磁化は、希釈まで、それを構成する材料の磁化と等しくなります。たとえば、濃度 15% のマグネタイトをベースにした磁性流体は、飽和時に 52.5 kA/m (ケルビンアンペア/メートル) の磁化を持ちます。

光学特性

磁性流体粒子は特別な光学特性を持っています。実際、それらは磁場の影響下で複屈折性および二色性（非偏光で照明された場合、透明度を通して特定の角度で観察すると2 色に見える特性）です。これらの特性は、磁性流体の用途で広く使用されています。

磁性流体の応用