Введение к работе
Актуальность проблемы, В природе отсутствуют материалы, сочетающие сильные суперпарамагнитные свойства с естественной для молекулярной жидкости текучестью. Перспектива создания подобного объекта привлекала ученых, вероятно, с момента открытия самого явления - магнетизм. Основной причиной подобного интереса, несомненно, является возможность управления физическими свойствами таких материалов при помощи магнитного поля, не изменяя при этом их жидкого состояния. Типичными и весьма распространенными примерами таких систем суперпарамагнитных частиц явились синтезированные в начале 60-х годов магнитные коллоиды, известные также под названиями "ферроколлоиды", "феррожидкости", "магнитные жидкости". Эти системы представляют собой устойчивые коллоидные взвеси частиц ферро- и ферримагнитных материалов с диаметрами ~ 10 нм в жидких носителях. Способность феррожидкостей ощутимо взаимодействовать с магнитным полем в сочетании с высокой текучестью обуславливает их широкое применение в приборо- и машиностроении: магнитожидкостные вакуумные уплотнители, жидкие подшипники и магнитные смазочные материалы, амортизаторы и демпферы, чернила для струйной печати и многое другое. С использованием магнитных жидкостей разрабатываются новые методы магнитного транспорта лекарств, медицинской диагностики и лечения. Список областей, в которых применяются магнитные жидкости, может быть продолжен и далее. К настоящему времени различного типа феррожидкости синтезируются, используются и активно изучаются в России, США, Германии, Японии, Франции, Великобритании, Бразилии и других странах.
Взаимодействие магнитных моментов дисперсных феррочастиц друг с другом и с внешним полем имеет нецентральный дальнодействующий характер и является причиной того, что феррожидкости обладают рядом уникальных свойств, таких, например, как, появление объемных магнитных сил, удерживающих весь объем феррожидкости в области сильного магнитного поля, рекордно высокие для парамагнитных систем значения магнитных характеристик, зависимость эффективных гидродинамических, оптических и реологических свойств от напряженности внешнего магнитного поля.
Кроме того, межчастичное диполь-дипольное взаимодействие магнитных моментов феррочастиц является причиной агрегационных явлений в ферро-коллоидах и, в частности, приводит к появлению особого типа структурных образований - цепочечных агрегатов. Появление таких структур регулярно отмечается в натурных экспериментах и компьютерных моделях. Теоретическому изучению проблем агрегирования феррожидкостей посвящена обширная отечественная и заоубежная научная лнхедэтудамСрН№№6нное влияние
«НБЛНОТЕКА |
цепочек феррочастиц на магнитные, оптические, реологические, диффузионные и другие свойства магнитных жидкостей неоднократно наблюдалось в экспериментальных исследованиях. Однако не только присутствие, но и свойства (длина, концентрация) цепочечных агрегатов принципиально влияют на характеристики феррожидкости.
Другими словами, достоверная картина микроструктуры ферроколлоида является необходимым условием для его практического применения, но описание процессов агрегатообразования без учета неизбежного и неотъемлемого качества ферроколлоидов - полидисперсности - не может носить предсказательного характера. Поэтому, изучение влияния естественного разброса частиц по размерам на формирование агрегатов в феррожидкостях представляется одной из первостепенных задач физики магнитных жидкостей.
Основной целью работы является развитие теоретической модели, описывающей агрегирование магнитных феррочастиц различных размеров в цепочки, изучение структуры цепочечных агрегатов и оценка влияния таких агрегатов на магнетооптические, реологические и магнитные свойства феррожидкостей.
Научная новизна диссертации заключается в следующем. Разработана теоретическая модель, позволяющая описать все типы цепочечных агрегатов в слабоконцентрированном бидисперсном ферроколлоиде; выявлены основные классы цепочечных агрегатов, состоящих из частиц различного размера и отличающихся топологией.
Теоретически обнаружен эффект "отравления" цепочки, заключающийся в присоединении мелкой частицы на край цепочки из крупных частиц, тормозящий дальнейший рост цепочки в этом направлении; этот эффект подтвержден результатами компьютерного моделирования микроструктуры феррожидкостей методом молекулярной динамики, проведенного в Институте Макса Планка, Майнц, Германия.
На базе развитой модели сформулирована концепция микроструктуры магнитных жидкостей, заключающаяся в том, что основная масса частиц крупнодисперсных фракций объединена в короткие цепочки (дублеты, триплеты) с одной-двумя мелкими частицами по краям, в то время как подавляющее большинство частиц мелкодисперсных фракций находится в неагрегирован-ном, одиночном состоянии.
Модель успешно использована для описания явления магнитного двулуче-преломления (эффект Коттона-Мутона) в феррожидкостях и данных магнитных измерений в скрещенных магнитных полях; применение развитой концепции микроструктуры феррожидкостей к описанию магнитовязкого эффекта также позволило показать, что существование коротких цепочек из
крупных частиц приводит к значительному увеличению вязкости магнитных жидкостей в магнитном поле.
Достоверность полученных результатов. Полученные в диссертационной работе результаты являются достоверными, что с одной стороны, обусловлено адекватностью физических представлений и моделей цепочечных агрегатов в магнитных жидкостях, с другой - соответствием полученных теоретических результатов данным натурных и компьютерных экспериментов, а также строгостью математических вычислений и согласованностью их результатов.
Практическое значение. Полученные в диссертации результаты о структуре и свойствах цепочечных агрегатов в полидисперсных магнитных жидкостях полезны для получения магнатных жидкостей с заданными свойствами. Также полученные результаты важны для прогнозирования различного рода эффектов в готовых ферроколлоидах.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на представительных научных форумах: 9-ая Международная конференция по магнитным жидкостям (Бремен, Германия, 2001), VIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001), Московский международный симпозиум по магнетизму (Москва, МГУ, 2002), 2-ая Международная конференция "Физика жидкого состояния: современные проблемы" (Киев, Украина, 2003), Международный семинар по современным проблемам в нанотехнологии магнитных жидкостей (Нью Дели, Индия, 2003), 13-ая Зимняя школа по механике сплошных сред (Пермь, 2003), 10-ая Международная конференция по магнитным жидкостям (Гуаружа, Сан Пауло, Бразилия, 2004), Евро-Азиатский симпозиум по магнетизму (Красноярск, 2004), Коллоквиумы Немецкого Научно-Исследовательского Общества по магнитным жидкостям (Бенедиктбоерн, Германия, 2002-04), на 10-ой и 11-ой Международных конференциях по магнитным жидкостям (Плес, 2002. 2004), на научных семинарах Уральского и Пермского госуниверситетов и ИМСС УрО РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ: 4 статьи в реферируемых журналах, 8 статей в сборниках и трудах конференций и 7 тезисов докладов. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного содержания, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 175 страниц машинописного текста, она содержит 30 рисунков, 1 таблицу и 176 ссылок на литературные источники.