История развития нанотехнолоий и нанообъектов

Можно считать, что первым научным упоминанием малых частиц является открытое в 1827 году шотландским ботаником Р. Броуном беспорядочное движение на поверхности жидкости частиц цветочной пыльцы (R. BROWN. Philosoph. Mag. 4, 161 (1828)). Теория броуновского движения, разработанная в первой половине 20-го века А. Эйнштейном, используется для определения размеров наночастиц, диспергированных в жидкостях.

Началом систематического изучения наноструктурного состояния вещества можно считать исследования коллоидов и возникновение коллоидной химии как самостоятельной дисциплины во второй половине 19-го века.

В 20-м веке стали интенсивно развиваться исследования тонких пленок и ультрадисперсных порошков. Создание наноматериалов непосредственно связано с разработкой и применением нанотехнологий. Создаются материалы с заданными физическими свойствами, которые не могли существовать в природе в естественном виде. К числу таких материалов относятся Магнитные жидкости (МЖ).МЖ -коллоидные растворы различных ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц в обычных жидкостях.

МЖ обладают уникальным для жидкости сочетанием свойств – высокой текучестью, способностью намагничиваться до насыщения, эффективным взаимодействием с магнитным полем. МЖ впервые синтезированы в середине 60-х гг. 20 в., их создание – получение наночастиц твёрдого магнитного материала, диспергирование его в жидкости-носителе и придание дисперсной системе агрегативной устойчивости – является одним из достижений нанотехнологий. Намагниченность M концентрированных МЖ достигает ≈100 кА/м в магнитных полях напряжённостью H≈80 кА/м; при этом их вязкость близка к вязкости жидкости-носителя и почти не зависит от H.

В качестве дисперсной среды обычно используют магнетит Fe₃O₄, железо, кобальт, ферриты-шпинели. Впервые коллоидный раствор магнетита в керосине, стабилизированный олеиновой кислотой, был получен Пейпеллом диспергированием в шаровых мельницах (Papell S.S., US Patent, № 3215572, 1965). Наиболее распространены МЖ на основе магнетита, диспергированного в углеводородных, кремнийорганических жидкостях и воде. Для предотвращения слипания (агрегации) под влиянием магнитного взаимодействия частицы покрываются одним или двумя мономолекулярными слоями поверхностно-активного вещества (олеиновая кислота, олеат натрия). При среднем диаметре частиц магнетита ≈10 нм их магнитный момент ≈2,5·10^–19А·м², т. е. составляет порядка 10⁴ атомных магнитных моментов. Совершая беспорядочное тепловое вращение, частицы поворачиваются на большой угол за время броуновского вращения порядка 1 мкс при вязкости жидкости-носителя 10^–2 Па·с.

Столь малые частицы удерживаются тепловым броуновским движением в объёме жидкости практически сколь угодно долго. Высокую устойчивость МЖ проявляют и в магнитных полях с сильной неоднородностью. Кривая зависимости статического намагничивания М(Н) МЖ имеет сходство с функцией Ланжевена, характеризующей процесс намагничивания парамагнетиков. В научной литературе за МЖ закрепилось название суперпарамагнетиков.

Численное значение начальной магнитной восприимчивости χ концентрированной МЖ (объёмная концентрация магнетита около 0,2) при комнатной температуре достигает ≈10, что в тысячи раз превышают восприимчивость обычных жидкостей. С повышением температуры Т значение χ уменьшается. При приближении Т к точке Кюри Т_C магнетика, из которого приготовлен коллоид, его спонтанная намагниченность тоже проявляет заметную зависимость от температуры.

Нагревая МЖ выше Т_C, можно существенно уменьшить её магнитную восприимчивость, что лежит в основе явления термомагнитной конвекции. Слои МЖ с Т < Т_C обладают большей магнитной восприимчивостью и втягиваются в области с большей напряжённостью магнитного поля, вытесняя слои с Т > Т_C. Термомагнитная конвекция по интенсивности может во много раз превосходить гравитационную конвекцию.

В электрических или магнитных полях МЖ проявляют анизотропию тепло- и электропроводности, вязкости, а также анизотропию оптических свойств: двулучепреломление, анизотропию рассеяния, дихроизм. Величины электро- и магнитооптических эффектов в МЖ примерно на шесть порядков превосходят аналогичные величины в обычных жидкостях.

МЖ – практически непрозрачные жидкости. Опыты на просвечивание возможны либо в случае малой толщины слоя (порядка 10 мкм), либо в случае малой концентрации (≤10^–2) при толщине слоя порядка 1 мм.

В МЖ достаточно хорошо распространяются звуковые и ультразвуковые волны. Присутствие твёрдых наночастиц обусловливает изменение плотности и сжимаемости дисперсной системы, а также появление специфического для микронеоднородной среды процесса внутреннего теплообмена. Для МЖ на основе органических и кремнийорганических жидкостей преобладающее влияние на изменение скорости оказывает фактор плотности: с увеличением плотности МЖ примерно в 2 раза скорость звука уменьшается на 15–20% по сравнению со скоростью в жидкости-носителе. Наложение магнитного поля на агрегативно устойчивые МЖ приводит к незначительным изменениям скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука; так, приращение скорости не превышает 1–2 м/с.

При распространении в намагниченной МЖ звуковой волны происходит возмущение магнитной индукции, которое можно зафиксировать катушкой индуктивности. В неоднородном магнитном поле, изменяющемся во времени по периодическому закону, МЖ генерирует звуковые волны. Упругая деформация осуществляется в результате действия на МЖ пондеромоторной силы, пропорциональной произведению её намагниченности на градиент магнитного поля и направленной вдоль этого градиента.

Действие пондеромоторной силы используется во многих устройствах: в магнитожидкостных герметизаторах, удерживающих перепад давлений в несколько атмосфер; в установках по очистке водных поверхностей от нефтепродуктов; в магнитных головках громкоговорителей с магнитожидкостным наполнением, улучшающим их амплитудно-частотную характеристику, и др. Следствием действия этой силы является эффект левитации, который заключается в том, что на немагнитные тела, помещённые в МЖ, находящуюся в магнитное поле с градиентом вдоль направления силы тяжести, действует дополнительная выталкивающая сила, многократно превышающая вес вытесненной жидкости. На этом явлении основан принцип действия сепараторов цветных металлов и др. немагнитных материалов.

Лит.: Шлиомис М.И. Магнитные жидкости. // Успехи физических наук, 1974, т. 112, № 3, с. 427; Баштовой В. Г., Берковскнй Б.М., Вислович А.Н. Введение в термомеханику магнитных жидкостей. М., 1985; Орлов Д.В., Михалев Ю.О., Мышкин Н.К. и др. Магнитные жидкости в машиностроении. М., 1993; Полунин В.М. Акустические эффекты в магнитных жидкостях. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. Полунин В.М. Магнитные жидкости // Большая Российская энциклопедия: Т.18. Ломоносов- Манизер.- М.: Большая Российская энциклопедия, 2011. – с. 373-374; Полунин В.М. Акустические свойства нанодисперсных магнитных жидкостей. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012.