Магнитные жидкости: фундаментальный аспект

В лаборатории динамики дисперсных систем Института механики сплошных сред ПНЦ УрО РАН мне продемонстрировали замечательный опыт. В стеклянную кювету, куда налито немного темной густой жидкости (это коллоидный раствор магнетита в жидком углеводороде), помещается небольшой магнитик, имеющий форму бруска. Другой магнитик экспериментатор двигает под дном кюветы. Магнитик на кювете под действием внешнего магнитного поля постепенно собирает на себя всю жидкость, и она образует на его поверхности выросты, похожие на иглы ежа или дикобраза. «Ежик» бегает по кювете, повторяя движение нижнего магнитика и отталкиваясь от ее стенок, как мячик.
Фундаментальными исследованиями магнитных жидкостей в ИМСС занимаются со дня создания института. В конце минувшего года доктору физико-математических наук А.Ф. Пшеничникову и кандидатам физико-математических наук К.И. Морозову и А.В. Лебедеву была присуждена премия имени академика Н.А. Семихатова за цикл работ по изучению гидродинамики магнитных жидкостей в переменном магнитном поле. Я прошу Александра Федоровича, заведующего лабораторией динамики дисперсных систем, подробно рассказать об этих исследованиях.

   — Магнитные жидкости — это высокодисперсные суспензии (коллоидные растворы) ферромагнитных материалов в обычных жидкостях, таких  как вода, жидкие углеводороды, кремний- и фторорганические жидкости. В середине 60-х годов они были одновременно синтезированы в США и России. В настоящее время магнитные жидкости активно изучают в большинстве развитых стран: в Японии, Франции, Германии, Великобритании, Нидерландах, Израиле. 

Магнитные жидкости уникальны тем, что высокая  текучесть сочетается в них с высокой намагниченностью — в десятки тысяч раз большей, чем у обычных жидкостей. Секрет такой высокой намагниченности заключается в том, что в обычную жидкость, например в жидкий углеводород, внедряется огромное количество мелких сферических частиц (размер их около 10 нанометров), которые представляют собой миниатюрные постоянные магниты. Каждая такая частица покрыта тонким слоем защитной оболочки, что предотвращает слипание частиц, а тепловое движение разбрасывает их по всему объему жидкости. Поэтому в отличие от обычных суспензий частицы в магнитных жидкостях не оседают на дно, и последние могут сохранять свои рабочие характеристики в течение многих лет. 

Каждый микроскопический постоянный магнитик хаотически вращается и перемещается в жидкой среде под действием теплового движения. Внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты частиц,  что приводит к изменению магнитных, оптических и реологических свойств раствора. Высокая чувствительность свойств раствора к внешнему полю позволяет управлять поведением магнитных жидкостей и использовать их в прикладных задачах. 

Однако главное внимание мы уделяем фундаментальным проблемам, в частности исследованию межчастичных взаимодействий и их влияния на свойства высоко концентрированных магнитных жидкостей. Так, нам удалось объяснить две наиболее известные особенности поведения магнитных жидкостей в переменном магнитном поле — температурный максимум начальной восприимчивости и аномально широкий (6 —8 порядков) спектр времен релаксации. Оба эти эффекта традиционно объяснялись именно межчастичными взаимодействиями. Мы показали, что это не так. Главную роль в обоих случаях играют естественная полидисперсность коллоидных частиц (разброс по размерам) и существование двух независимых механизмов переориентации магнитного момента. Дело в том, что магнитный момент коллоидной частицы может поворачиваться как вместе с ней самой, так и внутри нее, т.е. относительно ее кристаллографических осей.

Очень интересна гидродинамика магнитной жидкости в переменном магнитном поле. С его помощью можно заставить вращаться коллоидные частицы, каждая из которых будет генерировать вокруг себя микроскопический гидродинамический вихрь. Взаимодействие множества таких  вихрей приводит к ряду новых явлений, специфичных только для магнитных жидкостей. В первую очередь это так называемый ротационный эффект — генерация крупномасштабных гидродинамических течений в магнитной жидкости, помещенной во вращающееся магнитное поле. Впервые его наблюдал  в 1967 году профессор Розенцвейг (США), но объяснить его нам удалось лишь несколько лет назад. Мы первыми экспериментально обнаружили существование касательных магнитных напряжений на свободной поверхности магнитной жидкости и создали теоретическую модель, способную описать гидродинамику магнитной жидкости в переменных полях.

Сотрудникам нашего института принадлежит приоритет в обнаружении и объяснении еще одного эффекта — уменьшения вязкости магнитной жидкости под действием переменного магнитного поля. Раньше считалось, что внешнее магнитное поле должно неизбежно приводить к увеличению вязкости. И это действительно так, если речь идет о постоянном поле. В переменном поле все оказалось намного сложнее. Более того, подбором частоты и амплитуды поля можно создать такие условия для вращения коллоидных частиц, что вязкость суспензии уменьшится, и жидкость станет более текучей.

Еще одна серьезная физическая проблема, связанная с магнитными жидкостями, — проблема фазовых переходов в дипольных системах. Она активно изучается не только в России, но и в США, Канаде, Германии, Японии. В ведущих физических журналах ежегодно публикуется десятки статей, посвященных свойствам дипольных систем с сильными межчастичными взаимодействиями. Ситуация, однако, такова, что вопросов пока больше, чем ответов. Разные исследователи по-разному отвечают даже на главный вопрос — о самой возможности фазовых переходов в дипольных системах, частным случаем которых являются магнитные жидкости. 

Существуют противоположные точки зрения как по фазовому переходу первого рода, так и по гипотетическому переходу второго рода. Проведенные нами эксперименты показали, например, что существование в магнитных жидкостях фазового перехода первого рода не вызывает сомнений, но остается очень серьезный вопрос о соотношении и роли магнитодипольных и Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий при таких переходах. Наши исследования показали также, что поведение концентрированных магнитных жидкостей в магнитном поле во многом аналогично поведению обычной воды в поле электрическом. Магнитная жидкость и вода — по существу родственники, только коллоидная частица первой — диполь магнитный, а молекула воды — диполь электрический. 

Мы проводим сейчас комплексные исследования, включающие аналитические расчеты, компьютерное моделирование и лабораторные эксперименты, с целью получения магнитных жидкостей с предельно высокой магнитной проницаемостью. Ожидаем получить материал с необычными магнитными свойствами, возможно, с крупномасштабной магнитной структурой внутри образцов, высоко чувствительной к слабым внешним полям. Тогда появится возможность управления этой структурой. 

— Традиционный сегодня вопрос: каковы практические перспективы ваших исследований?

— Магнитные жидкости не относятся к материалам массового спроса. Как правило, их производят небольшими партиями и используют в высокотехнологичных устройствах и приборах: в системах герметизации ввода вращающихся валов, антифрикционных узлах и демпферах, в ультразвуковой дефектоскопии и высококачественных громкоговорителях, магнитных сепараторах редких элементов, датчиках наклона и высокочувствительных измерителях ускорений, микроманометрах и исполнительных механизмах роботов.                 

Хотя в изучении магнитных жидкостей американские и российские ученые стартовали одновременно, на Западе научные разработки нашли более широкое практическое применение. В США, например, существует специализированная корпорация, которая производит магнитные жидкости и устройства на их основе. 

Между тем фундаментальные результаты пермских ученых получили признание зарубежных коллег, о чем свидетельствуют многочисленные ссылки на наши работы, тесные связи со специалистами ведущих центров по изучению магнитных жидкостей, совместные исследования и публикации. Очень полезные научные контакты установились у нас и с коллегами из Екатеринбурга. Сотрудники кафедры математической физики УрГУ во главе с профессором А.О. Ивановым — наши традиционные партнеры в решении проблем, связанных с магнитными жидкостями. 

Подготовила Е. ПОНИЗОВКИНА
На фото: вихревое течение магнитной
жидкости вблизи источника переменного
магнитного поля