نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه چهارم
اهداف جلسه:
1- آهنربای مایع چیست؟
2- کاربردهای عمده فروسیال ها
1-4) آهنربا مایع
فروسیال مایعی با ذرات بسیار ریز مغناطیسی ( عمدتاً آهنی ) به صورت کلوئیدی پایدار و چسبیده به مولکولهای مایع حامل است. در آزمایش های مربوط به تفنگ ریلی و دیامغناطیسم، مولکول های هوا که دوقطبی های مغناطیسی ریزی هستند به دلیل جذب شدن به نواحی دارای میدان مغناطیسی شدیدتر و در نتیجه ازدیاد فشار هوا در آن نواحی نسبت به نواحی مجاور نقش بارزی ایفا می نمایند. به عبارتی این آزمایش ها اهمیت وجود سیالی حاوی دوقطبی های ریز و جوش خورده با دیگر مولکول های سیال را نشان می دهد. همین ایده انگیزه ساخت مصنوعی چنین سیالی است که در آن به جای مولکول های هوا از ذرات بسیار ریز آهنی که از لحاظ مغناطیسی بسیار قوی تر از مولکولی از هوا هستند استفاده میشود. چنین سیالی همان فروسیال میباشد.
یک آهنربای مایع یا فروسیال، مخلوطی کلوئیدی از ذرات مغناطیسی ( به قطر تقریباً 10 نانومتر ) در یک مایع حامل می باشد. هم چنین، حامل دارای ماده ترسازی است که از چسبیدن ذرات به یکدیگر ممانعت به عمل می آورد، و مایع حامل، آب یا یک سیال آلی است. نوعاً فروسیال از نظر حجمی متشکل است از حدوداً %5 جامدهای مغناطیسی، %10 ترساز، و %85 حامل. در یک نوع فروسیال قابل ساخت، برای ذرات مغناطیسی از آهن مغناطیسی (Fe3O4)، برای ترساز از اسید اولئیک، و برای سیال حامل از نفت سفید استفاده می شود. درواقع در فرایند ساخت فروسیالها پوششهایی از مواد مختلف بر روی ذرات مغناطیسی داده میشود که دو وظیفهی مهم بهعهده دارند، اولاً نقش ترساز را بازی میکنند یعنی با ایجاد جاذبههای مولکولی قوی بین خود و مولکولهای مایع حامل، سیالی یکدست ایجاد کرده و مانع تودهشدگی ذرات مغناطیسی حتی تحت شیبهای شدید میدان مغناطیسی میشوند و ثانیاً بهدلیل جرم حجمی کمتر آن ها نسبت به ذرات مغناطیسی، باعث میشوند که جرم حجمی متوسط ذرات دارای پوشش از جرم حجمی ذرات مغناطیسی بدون پوشش کمتر شده و در حد تعلیق در مایع حامل باشد تا به این ترتیب کلوئیدی پایدار تشکیل شود.
غالباً در فرایند ساخت فروسیالها پوششهایی از مواد مختلف بر روی ذرات مغناطیسی داده میشود که دو وظیفهی مهم بهعهده دارند، اولاً نقش ترساز را بازی میکنند یعنی با ایجاد جاذبههای مولکولی قوی بین خود و مولکولهای مایع حامل، سیالی یک دست ایجاد کرده و مانع تودهشدگی ذرات مغناطیسی حتی تحت شیبهای شدید میدان مغناطیسی میشوند و ثانیاً بهدلیل جرم حجمی کمتر آن ها نسبت به ذرات مغناطیسی، باعث میشوند که جرم حجمی متوسط ذرات دارای پوشش از جرم حجمی ذرات مغناطیسی بدون پوشش کمتر شده و در حد تعلیق در مایع حامل باشد تا به این ترتیب کلوئیدی پایدار تشکیل شود.
سنتز فروسیالها دو مرحلهی اصلی دارد:
الف) آمادهسازی ذرات مغناطیسی نانوابعاد (درحدود 2 تا 15 نانومتر)
ب) متعاقباً پراکندهسازی ،پایدارسازی نانوذرات در مایعات حامل قطبی و غیرقطبی مختلف.
در آن چه به نانوذرات هیدروکسید آهن مربوط میشود مؤثرترین روش، پروسهی تهنشینی همزمان شیمیایی است. برحسب خواص مایع حامل و کاربردهای مورد انتظار، رویّههای مختلفی از سنتز فروسیال توسعه یافته است. عجالتاً، مکانیسمهای پایدارسازی نانوذرات مغناطیسی در انواع مختلف مایعات حامل، بهگونهای که مانعِ تشکیل غیرقابل برگشت توده ذرات، حتی در میدانهای مغناطیسی شدید و قویاً غیریکنواخت شوند، مشخص شده است.
2-4) کاربردهای عمده فروسیال ها
وسایل الکترونیکی
از فروسیالها بهعنوان درزبندهای مایع در اطراف شافتهای گردندهی درایو هارد دیسکها استفاده میشود. در اطراف و در مجاورت نزدیک شافت گردنده، آهنربا وجود دارد. مقدار کمی فروسیال که در گاف بین آهنربا و شافت واقع میشود با جذب شدنش به آهنربا در سر جای خود ثابت میماند و در عین حال به علت مایع بودن، اصطکاک چندانی با شافت گردنده، که در تماس با فروسیال است، ندارد. به این ترتیب فروسیال، هم چون مانعی برای ورود چیزها و وسایل ریز به داخل درایو هارد عمل میکند. مهندسین شرکت فروتک اعتقاد دارند درزبندی فروسیال روی شافتهای گردنده نوعاً فشار 3 تا 4 psi را تحمل میکند، اما این نوع درزبندها برای درزبندی انتقالی برای پیستونها مناسب نیستند و سیال بهطور مکانیکی به خارج از ناحیهی گاف مغناطیسی کشیده میشود. سازندگان متعدد دیگری نیز برای این نوع درزبندهای فروسیال وجود دارد.
مهندسی مکانیک
فروسیالها قابلیت کاهش اصطکاک دارند. اگر از آن ها بر روی سطح یک آهنربا که به اندازهی کافی قوی هست، مثل آهنربایی ساخته شده از نودیم، استفاده شود میتوانند باعث شوند که آهنربا بهآسانی، با کمترین مقاومت، روی سطح هموار، سر بخورد.
موارد نظامی
نیروی هوایی آمریکا یک رنگ از نوع مادهی جاذب رادارمعرفی کرده است که هم از فروسیالها و هم از مواد غیرمغناطیسی ساخته شده است. با کاهش انعکاس امواج الکترومغناطیسی، این ماده کمک میکند که سطح مقطع راداری هواپیما کاهش یابد.
هوا- فضا
ناسا استفاده از فروسیالها را در یک حلقهی بسته بهعنوان مبنایی برای یک سیستمِ کنترل حالتِ فضاپیماها آزمایش کرده است. یک میدان مغناطیسی، به یک حلقهی فروسیال اعمال میشود تا اندازه حرکت زاویهای را تغییر دهد و روی گردش فضاپیما تأثیر بگذارد.
در تجهیزات آنالیز
فروسیالها بهخاطرخواص انکساریشان کاربردهای اپتیکی متعددی دارند زیرا هر دانه یا میکروآهنربا در فروسیال، نور را بازتاب میکند. از جملهی این کاربردها، اندازهگیری ویسکوزیتهی ویژهی یک مایعِ واقع شده بین یک قطبنده (یا پلاریزور) و یک آنالیزور است که بهوسیلهی یک لیزر هلیم-نئون روشن میشود.
پزشکی
در پزشکی از فروسیالها بهعنوانِ عاملِ کنتراست برای تصویربرداری تشدیدِ مغناطیسی (MRI) استفاده میشود که میتواند برای آشکارسازی سرطان قابلِ استفاده باشد. در این مورد، ذراتِ مغناطیسی فروسیال، نانو ذرات اکسید آهن هستند و SPION نامیده میشوند. همچنین آزمایشهای زیادی با استفاده از فروسیالها در یک عملِ جراحی آزمایشی سرطان، به نام فوقِ عملِ مغناطیسی، انجام شده است. اساسِ این عمل بر این واقعیت استوار است که یک فروسیال واقع شده در یک میدان مغناطیسی متناوب، گرما آزاد میکند.
انتقال گرما
یک میدان مغناطیسی خارجی اعمال شده بر یک فروسیال با فروگیری متغیر (که فروگیری متغیر آن مثلاً بر اثر یک شیبِ دما حاصل شده باشد) منجر به یک نیروی بدنهی مغناطیسی غیرِیکنواخت میشود که باعث ایجاد شکلی از انتقال گرما بهنامِ همرفت ترمومغناطیسی میشود. این شکل از انتقال گرما هنگامی میتواند مفید باشد که انتقال گرما در همرفت معمول کافی نباشد مثلاً در دستگاههای کوچک-مقیاس مینیاتوری یا تحت شرایط جاذبهی ثقلی اندک.
بهطور عادی از فروسیالها در بلندگوها به منظور دور کردنِ گرما از کویل صدا استفاده میشود. فروسیال در گاف هوایی اطراف کویل صدا قرار میگیرند و در آنجا تحت جاذبهی آهنربای بلندگو ثابت میمانند. ار آنجا که فروسیالها پارامغناطیس هستند از قانون کوری تبعیت میکنند و بنابراین در دماهای بیشتر دارای خاصیت آهنربایی کمتری هستند. یک آهنربای قوی قرار گرفته در نزدیکی کویل صدا که تولید گرما میکند فروسیالِ سرد را بیش از فروسیال گرم جذب میکند و بنابراین فروسیال گرم شده از کویل الکتریکی صدا، به طرف سینک گرما بیرون رانده میشود. این، یک روش سردسازی مؤثر است که نیازی به هیچ انرژی ورودی اضافهای ندارد.
نورشناسی
تحقیقاتی برای درست کردن یک آینهی مغناطیسی متغیرالشکل از فروسیال برای تلسکوپهای نجومی مستقر بر روی زمین در راه است .
هنر
بعضی از موزههای هنر و علوم، دستگاههای نمایشی ویژهای دارند که در آن ها از آهنربا استفاده میشود تا فروسیال را به روشی فوارهگونه، وادار به حرکت (آرام) به گرد سطوحی که بهگونهی ویژهای شکل داده شدهاند نمایند تا میهمانان سرگرم شوند.
مطالب مرتبط:
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه اول
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه دوم
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه سوم
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه چهارم
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه پنجم
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه و تنظیم: اعظم اژدری