Введение к работе
Актуальность проблемы. Коллоидные системы, состоящие из нано-частиц ферримагнетиков, взвешенных в различных жидкостях, активно исследуются, начиная с 60-х годов XX века. Они сочетают в себе текучесть, присущую обычным жидкостям, и способность активно взаимодействовать с магнитным полем и поэтому получили название магнитных жидкостей или феррожидкостей. Первоначально магнитные жидкости создавались как средство управления течением ракетного топлива в условиях невесомости, но в дальнейшем область их применения существенно расширилась. Наибольшую известность получили применения магнитных жидкостей для парогазовой и вакуумной герметизации вращающихся деталей машин, в магнитных опорах и подшипниках, в демпфирующих устройствах измерительных приборов и динамических головок. В последнее время были разработаны принципиально новые методы лечения онкологических заболеваний методом локальной гипертермии и направленной доставки лекарственных препаратов с помощью коллоидных растворов магнитных наночастиц, синтеза магнитоуправляемых устройств, обладающих аналогично фотонным кристаллам избирательным светопропус-канием, а также различные другие применения, в том числе для дефектоскопии металлических изделий и анализа дисперсного состава взвесей. Малый размер частиц дисперсной фазы (около 10 нм) позволяет магнитным жидкостями практически неограниченное время сохранять седимен-тационную устойчивость за счет интенсивного броуновского движения. Коагуляционная устойчивость достигается путем использования поверхностно-активных веществ, образующих на поверхности частиц структурно-механический барьер. Наночастицы магнитных материалов, несмотря на принимаемые меры по стабилизации, склонны к образованию структур за счет значительного магнитного диполь-дипольного взаимодействия и различных факторов, нарушающих целостность адсорбционных оболочек частиц. Для практического применения магнитных наночастиц в технике и медицине важна информация о размерах частиц, их электрических и магнитных моментах, а также о физике процессов образования структур из таких частиц при воздействии электрического и магнитного полей. Для получения этой информации одними из наиболее эффективных являются оптические методы. Среди них можно выделить статическое и динамическое рассеяние света, измерение спектральной зависимости светопропус-кания (спектротурбидиметрия), а также исследование эффектов оптической анизотропии при воздействии внешних электрического и магнитного полей. Такие исследования позволяют определять не только размеры магнитных наночастиц и их агрегатов, но и их магнитные и электрические характеристики, а также изучать процессы структурообразования в коллоидных системах. При воздействии электрического поля в магнитных коллоидах возникает ряд интересных эффектов, природа которых связана с протеканием сложных электродных процессов, электризацией коллоид-
ных частиц, образованием приэлектродного объемного заряда значительной величины, оказывающего существенное влияние на физико-химические свойства коллоида. Широкое использование магнитных коллоидов на основе жидких диэлектриков в технике требует выяснения физических механизмов их взаимодействия с электрическим и магнитным полями. Исследование природы электро- и магнитооптических эффектов в коллоидах магнитных частиц дает возможность эффективного изучения электрофизики приэлектродных процессов в таких системах и разработки практически важных приборов и устройств.
Цель работы: установление физических механизмов электромагнитооптических эффектов в магнитных коллоидах на основе жидких диэлектриков и их применение для исследования приэлектродных электрофизических процессов в таких системах.
Задачи исследования:
разработка эффективных методик и создание экспериментальных установок для исследования оптических эффектов в магнитных коллоидах в стационарных и нестационарных электрическом и магнитном полях;
определение параметров магнитных коллоидных частиц и агрегатов по данным оптических экспериментов;
исследование особенностей и установление физических механизмов оптических эффектов в магнитных коллоидах, содержащих крупные по сравнению с длиной волны света агрегаты квазитвердого и микрокапельного типов;
изучение электрофизических характеристик приэлектродного объемного заряда в магнитных коллоидах на основе жидких диэлектриков и определение электрофоретической подвижности коллоидных частиц магнетита электрооптическим методом;
установление физических механизмов оптических эффектов в приэлектродных областях магнитных коллоидов в электрическом поле.
Научная новизна результатов работы:
-
На основе анализа результатов комплексных исследований двойного лучепреломления, дихроизма и динамического рассеяния света сделан вывод о том, что электро- и магнитооптические эффекты в магнитных коллоидах на основе жидких диэлектриков определяются ориентацией во внешних полях несферических агрегатов размером 40-100 нм, а не отдельных наночастиц магнетита, как полагалось ранее.
-
Экспериментально обнаружен эффект компенсации изменения интенсивности рассеяния света в переменном электрическом поле при дополнительном воздействии перпендикулярно направленного магнитного поля. Проведена теоретическая интерпретация эффекта на основе модифицированного приближения Рэлея-Дебая-Ганса.
-
По данным оптических экспериментов определены абсолютные величины постоянного и наведенного электрических и магнитных дипольных моментов агрегатов частиц в магнитных коллоидах.
-
Результаты исследования изменения оптической плотности магнитных эмульсий при воздействии внешних полей интерпретированы на основе приближения аномальной дифракции. Экспериментально показано, что в таких системах возможна компенсация изменения оптической плотности при совместном действии параллельных электрического и магнитного полей.
-
На основе результатов комплексного исследования электро- и магнитооптических эффектов в коллоидных растворах магнетита в жидких диэлектриках в постоянном, переменном и импульсном полях определены область локализации приэлектродного объемного заряда и характерное время его образования с использованием как традиционных электрооптических ячеек, так и ячеек с изолированными электродами.
-
Разработан оптический способ определения электрофоретической подвижности коллоидных частиц на основе анализа кинетики изменения прозрачности приэлектродных слоев магнитных коллоидов после включения поля.
-
На основе приведенного анализа эффектов электрического двойного лучепреломления и изменения прозрачности магнитных коллоидов вблизи поверхности электрода выделены характерные области электрооптических эффектов и предложена их физическая интерпретация.
Достоверность результатов работы обеспечивается применением известных методик экспериментов, стандартных приборов, анализом ошибок измерений, а также согласованностью результатов работы с известными результатами, полученными различными методами.
Научная и практическая ценность результатов работы
Полученные результаты исследования оптических эффектов позволяют существенно уточнить физические механизмы индуцированной полем оптической анизотропии магнитных коллоидных систем и тем самым вносят определенный вклад в изучение фундаментальных проблем электрофизики магнитодиэлектрических коллоидов. Методики и результаты обнаружения в магнитных коллоидах агрегатов частиц и определения их электрических и магнитных дипольных моментов оптическими методами могут использоваться для прогнозирования работоспособности магнитожидкостных устройств, для функционирования которых существенное значение имеет структурное состояние и электрофизические параметры магнитной жидкости.
Результаты изучения приэлектродных процессов и определения пространственного распределения вектора напряженности электрического поля в магнитных коллоидах оптическими методами могут быть использованы в устройствах контроля качества изолирующих жидкостей, для диагностики предпробойных состояний в высоковольтных системах.
Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО «Ставропольский государственный университет» при разработке инновационных курсов по выбору «Физические методы изучения на-
ноструктур» и «Электро- и магнитооптика магнитных дисперсных наноси-стем».
Автор защищает:
результаты исследований эффекта двойного лучепреломления и изменения оптической плотности коллоидов магнетита на основе жидких диэлектриков в стационарных и нестационарных электрическом и магнитном полях, подтвержденные данными динамического рассеяния света, и сделанный на их основе вывод об определяющей роли агрегатов размером 40-100 нм в эффектах оптической анизотропии таких систем;
результаты экспериментальных исследований и теоретическую интерпретацию эффекта компенсации изменения интенсивности рассеяния света в переменном электрическом поле при дополнительном воздействии магнитного поля, направленного перпендикулярно электрическому;
методику анализа кинетики нарастания ориентационных электромагнитооптических эффектов в импульсных полях, использующую математический аппарат интеграла Дюамеля и позволяющую, в отличие от известных методик, учитывать конечную крутизну фронта импульса;
методику и экспериментальные результаты определения абсолютных величин постоянного и индуцированного электрического и магнитного моментов агрегатов наночастиц магнетита, также оценку времени релаксации индуцированного электрического диполя агрегата на основе электродиффузионной теории поляризации гетерогенных систем Френкеля-Трухана, показавшую, что время релаксации индуцированного электрического дипольного момента сравнимо по порядку величины с временем вращательной броуновской релаксации агрегата;
теоретический анализ результатов экспериментальных исследований изменения оптической плотности магнитных эмульсий в электрическом и магнитном полях на основе приближения аномальной дифракции и вывод о возможности наблюдения в таких системах компенсации оптической анизотропии при совместном действии параллельных электрического и магнитного полей;
результаты оптических экспериментов в постоянных, переменных и импульсных полях, позволившие измерить величину, область локализации, а также время релаксации приэлектродного объемного заряда в магнитных коллоидах на основе жидких диэлектриков с использованием традиционных электрооптических ячеек и ячеек с изолированными электродами;
электрооптический способ определения подвижности коллоидных частиц магнетита в керосине и трансформаторном масле, основанный на регистрации эффекта изменения прозрачности приэлектродного слоя коллоидного раствора после включения поля;
теоретический анализ результатов исследования электрического двойного лучепреломления и изменения прозрачности приэлектродного слоя магнитного коллоида, позволивший выделить характерные области эффектов в зависимости от напряженности поля и длительности его действия, а
также предложить физическую интерпретацию оптических эффектов в этих областях.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись на IV Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Нижний Новгород, 1999), Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование в научных исследованиях» (Ставрополь, 2000), 9-th International Conference on Magnetic Fluid (Bremen, Germany, 2001), 9-й, 10-й, 11-й, 13-й, 14-й Международных Плесских научных конференциях по нанодис-персным магнитным жидкостям (Плес, 2000, 2002, 2004, 2008, 2010), Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2002, 2008), International Workshop on Recent Advances in Nanotechnology of Magnetic Fluids (New Delhi, India, 2003), International Symposium on Advanced Magnetic Materials (Tokyo, Japan, 2003), VII Международной конференции «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей» (С.-Петербург, 2003), 10-th International Conference on Magnetic Fluid (Guaraja, Brasil, 2004), Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2005» (С.-Петербург, 2005), 11-th International Symposium on Colloidal and Molecular Electro-optics ELOPTO-06 (Kyoto, Japan, 2006), 11-th International Conference on Magnetic Fluids (Kosice, Slovakia, 2007), International School for Junior Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophysics (Саратов, 2005, 2006, 2007), 7-th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers (Vancouver, Canada, 2008), I и II Всероссийских научных конференциях «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь, 2007, 2009), Всероссийской научной конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 2009), 12-th International Conference on Magnetic Fluids (Sendai, Japan, 2010), а также обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях преподавателей и студентов СГУ «Университетская наука - региону» (1999-2010) и семинарах научной школы «Физика магнитных наносистем» Ставропольского государственного университета.
Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ ГОУ ВПО «Ставропольский государственный университет» и частично поддерживались из средств Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы» (государственный контракт №02.438.11.7001), аналитической ведомственной целевой программы Федерального агентства по образованию «Развитие научного потенциала высшей школы» (2007-2010 гг.) и Российского фонда фундаментальных исследований (проекты №10-02-90019 и №10-02-16088).
Личный вклад соискателя. Автором проведена постановка цели и задач исследования в целом. Лично автором или при его участии разработаны основные экспериментальные установки и методики исследований. Автором проведены экспериментальные исследования, обработка и анализ результатов измерений, а также представленные в диссертационной работе оценки и расчеты. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 68 научных работ, в том числе 23 статьи в ведущих отечественных и зарубежных рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России для публикации основных результатов диссертаций. Наиболее принципиальные результаты исследований отражены в 50 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов исследования, а также списка цитированной литературы. Диссертация изложена на 346 страницах, содержит 106 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 412 источников.
Похожие диссертации на Электро- и магнитооптические эффекты в коллоидных растворах магнетита в жидких диэлектриках и их применение для исследования приэлектродных процессов
