Магнитные жидкости

Магнитные жидкости (феррожидкости, ферроколлоиды) представляют собой искусственно синтезированные устойчивые коллоидные взвеси наночастиц магнитных материалов в жидких носителей. Они обладают уникальным сочетанием текучести жидкого состояния и способности ощутимо взаимодействовать с магнитным полем. Изменение физических характеристик феррожидкостей под воздействием внешнего магнитного поля позволяет отнести магнитные жидкости к классу перспективных наноматериалов с управляемыми свойствами.

Теоретические исследования свойств магнитных жидкостей начались на кафедре математической физики (тогда, кафедре механики сплошных сред) в 1982 году. Исторически выделились следующие направления:

  • Статистическо-механические модели магнитных жидкостей;

  • Фазовые превращения в магнитных коллоидах;

  • Магнитные свойства феррожидкостей;

  • Микроструктурные образования в магнитных жидкостях.

За прошедшие годы по научным тематикам, связанным с физикой магнитных жидкостей и математическим моделированием их свойств, на кафедре защищены 4 кандидатские и 2 докторские диссертации. В 1985-1990 годах научные результаты кафедры докладывались на Всесоюзных Конференциях и Совещаниях по магнитным жидкостям: Ставрополь, 1985; Душанбе, 1987; Пермь, 1990. Сотрудники кафедры принимали участие в работе Всесоюзной Конференции по физике магнитных явлений (Калинин, 1988), Евро-Азиатских Симпозиумах по магнетизму (Екатеринбург, 2002; Красноярск, 2004), Московском Международном Симпозиуме по магнетизму (МГУ, 2002, 2005), и многих других. Научными партнерами в России являются исследовательские лаборатории и кафедры в Московском государственном университете (кафедра магнетизма, физический факультет), в Институте Механики Сплошных Сред УрО РАН (г. Пермь), в Ставропольском государственном университете.
Установлены тесные научные связи и ведутся совместные исследования с зарубежными научными группами из Университета г. Бремен (Германия), Института Макса Планка исследований полимеров (г. Майнц, Германия), Франкфуртского Института Перспективных Исследований (г. Франкфурт-на-Майне, Германия), Технического Университета г. Дрезден (г. Дрезден, Германия), Университета г. Эдинбурга (г. Эдинбург, Великобритания), Университета г. Саарбрюкен (Германия). Сотрудники кафедры регулярно участвуют в работе Международных Конференций по магнитным жидкостям: Рига, Латвия, 1899; Тимишоара, Румыния, 1998; Бремен, Германия, 2001; Гуаружа, Сан Пауло, Бразилия, 2004. Начиная с 2002 г. сотрудники кафедры участвуют в ежегодных Коллокивумах по магнитным жидкостям, проводимых Немецким Научно-Исследовательким Обществом (DFG) в г. Бенедиктбоерн, Германия. Научные доклады по магнитным жидкостям представлялись также на Международных Конференциях “Physics of Liquid Matter: Modern Problems”, проводимых в 2003 и 2005 годах Киевским Национальным Университетом (Украина).

Научные исследования в этой области неоднократно поддерживались научными грантами:
Грант РФФИ № 94-02-03252а «Концентрационные фазовые переходы в магнитных жидкостях», 1994, руководитель А.О. Иванов
Грант РФФИ № 95-02-03853а «Концентрационные фазовые переходы в магнитных жидкостях», 1995-1997, руководитель А.О. Иванов
Грант РФФИ № 00-02-17731а «Магнитные свойства и агрегационные явления в концентрированных феррожидкостях», 2000-2002, руководитель А.О. Иванов
Грант Президента РФ № МД-336.2003.02 «Теоретическое исследование физико-химических процессов в комплексных жидкостях со сложной структурой в условиях фазовых переходов», 2002-2004, руководитель А.О. Иванов
Грант РФФИ № 03-02-04001-ННИОа «Микроструктурные превращения в феррожидкостях и их влияние на физические свойства этих систем», 2003-2005, руководитель А.Ю. Зубарев
Грант РФФИ № 04-02-16078а «Микроструктура магнитных жидкостей», 2004-2006, руководитель А.О. Иванов
Грант ИНТАС № 03-51-6064 “Magnetic fluids: structural transformations and hydrodynamic instabilities”, 2004-2006, руководитель А.О. Иванов
Грант Федерального агентства по образованию РФ № 4138 «Микроструктурные образования и магнитные свойства феррожидкостей», в рамках Программы «Развитие научного потенциала высшей школы», 2005, руководитель А.О. Иванов

В 1997 г. сотрудникам кафедры Зубареву А.Ю., доктору физико-математических наук, профессору кафедры математической физики, Иванову А.О., кандидату физико-математических наук, профессору, заведующему кафедрой математической физики, Искаковой Л.Ю., кандидату физико-математических наук, за работу по теме «Фазовые переходы и динамические явления в магнитных жидкостях» присуждена 2-ая Премия УрГУ за лучшую научную работу.

Частично работы по кинетике фазовых переходов в магнитных жидкостях были включены в цикл работ по теме «Структурообразование и эволюция межфазных фронтов в явлениях физико-химической макрокинетики», удостоенный в 2002 г. 1-ой Премии УрГУ за лучшую научную работу (Александров Д.В., доцент кафедры математической физики, Зубарев А.Ю., доктор физико-математических наук, профессор кафедры математической физики, Иванов А.О., доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой математической физики).

Статистическо-механические модели магнитных жидкостей
На кафедре развита оригинальная статистико-механическая модель магнитных жидкостей, основанная на термодинамической теории возмущений по интенсивности межчастичного диполь-дипольного взаимодействия магнитных моментов феррочастиц. В рамках этой модели в 1989 г. впервые удалось корректно учесть основную отличительную особенность ферроколлоидов – магнитное взаимодействие феррочастиц – во внешнем магнитном поле произвольной напряженности. Результаты теории возмущений 1-го порядка, опубликованные в 1992 г. (Buyevich Yu.A., Ivanov A.O. Equilibrium properties of ferrocolloids // Physica A, 1992, V. 190, № 3-4, P. 276-294) в определенном смысле являются основополагающими для всех дальнейших исследований кафедры в области фазовых превращений, магнитных свойств и микроструктуры магнитных жидкостей. Позже соединение теории возмущений и метода корреляционных функций позволило обосновать модель, известную в мировой литературе по магнитным жидкостям как «модифицированная теория среднего поля 2-го порядка» (Ivanov A.O., Kuznetsova O.B. Magnetic properties of dense ferrofluids: an influence of interparticle correlations // Physical Review E, 2001, V. 64, № 4, P. 041405-01-12). Неоднократное использование этой модели различными исследовательскими группами в России, Германии, Франции, Румынии, США подтвердило ее высокую эффективность при описании магнитных свойств феррожидкостей.

Научная работа в этом направлении была начата В.Н. Багаевым и Ю.А. Буевичем в 1982 году при моделировании свойств магнитоожиженной системы намагниченных шаров. Некоторые особенности коллективного влияния диполь-дипольного взаимодействия на свойства магнитоожиженного слоя были рассмотрены в кандидатской диссертации соискателя кафедры В. Тетюхина 1986 г.... Работа была продолжена А.О. Ивановым в конце 80-ых годов, результаты обобщены в его кандидатской диссертации «Термодинамические свойства и кинетика расслоения ферроколлоидов», 1990 г. Дальнейшее развитие термодинамической модели 1-го порядка и ее использование для описания комплекса равновесных свойств феррожидкостей легло в основу докторской диссертации А.О. Иванова «Фазовое расслоение магнитных коллоидов», 1998 г.
В настоящее время на кафедре ведутся исследования по углублению статистической модели феррожидкостей с целью описания свойств предельно концентрированных магнитных жидкостей с аномально высокими магнитными характеристиками, недавно синтезированными в Институте Механики Сплошных Сред УрО РАН.


Фазовые превращения в магнитных коллоидах
Одной из самых научно значимых является развитая на кафедре теория явления концентрационного фазового расслоения феррожидкостей, индуцируемого внешним магнитным полем в изотермо-изобарических условиях. В качестве физической причины была предложена концептуальная идея о том, что нецентральное межчастичное магнито-дипольное взаимодействие проявляется в коллективе феррочастиц как эффективное межчастичное притяжение, интенсивность которого усиливается во внешнем магнитном поле (Buyevich Yu.A., Ivanov A.O. Equilibrium properties of ferrocolloids // Physica A, 1992, V. 190, № 3-4, P. 276-294). Модель была применена к ионно-стабилизированным феррожидкостям, было изучено влияние избыточного электролита на условия фазового расслоения (Bushmanova S.V., Ivanov A.O., Buyevich Yu.A. The effect of an electrolyte on phase separation in colloids // Physica A, 1994, V. 202, № 1-2, P. 175-195). В дальнейшем равновесная теория фазового расслоения была обобщена на случай полидисперсных стерически (Иванов А.О. Фазовое расслоение магнитных коллоидов // Коллоидный журнал, 1995, Т. 57, № 3, С. 347-353; Ivanov A.O. Phase separation in bidisperse ferrocolloids // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1996, V. 154, № 1, P. 66-70) и ионно стабилизированных феррожидкостей (Иванов А.О. Фазовое расслоение ионных феррожидкостей // Коллоидный журнал, 1997, Т. 59, № 4, С. 482-491). Кроме того, ...
На базе равновесной теории фазового расслоения А.Ю. Зубаревым и А.О. Ивановым в 1996-98 годах впервые был теоретически изучен кинетический процесс фазового расслоения феррожидкостной в магнитном поле на промежуточной стадии выделения основной массы новой фазы (Зубарев А.Ю., Иванов А.О. Кинетика расслоения ферроколлоидов в магнитном поле // Доклады Академии Наук, 1996, Т. 351, № 2, С. 181-184; Zubarev A.Yu., Ivanov A.O. Kinetics of a magnetic fluid phase separation induced by an external magnetic field // Physical Review E, 1997, V. 55, № 6, P. 7192-7202) и на этапе переконденсации (Ivanov A.O., Zubarev A.Yu. Ostwald ripening kinetics in a magnetic fluid made metastable by a strengthening of an external magnetic field // Physical Review E. 1998, V. 58, № 6, P. 7517-7522).

Научные исследования в области фазовых превращений в коллоидных дисперсиях были начаты на кафедре математической физики Ю.А. Буевичем и А.Ю. Зубаревым во второй половине 80-ых. Основополагающий подход термодинамической теории возмущений был использован А.Ю. Зубаревым при описании равновесных фазовых превращений в полярных коллоидах в его докторской диссертации «К теории структурных и фазовых превращений в простых и дипольных коллоидах», 1993 г. Данные по влиянию избыточного электролита на условия фазовой устойчивости магнитных жидкостей вошли в кандидатскую диссертацию С.В. Булычевой «Влияние коллективных эффектов на равновесные свойства электролита в концентрированных дисперсных системах», 1993 г. Полученные результаты по кинетике фазового расслоения феррожидкостей, индуцированного внешним магнитным полем, вошли также в докторскую диссертацию А.О. Иванова «Фазовое расслоение магнитных коллоидов», 1998 г.

Магнитные свойства феррожидкостей.
Использование термодинамического метода возмущений при построении статистической теории феррожидкостей в магнитном поле позволило обосновать модель их магнитных свойств в форме «модифицированной теории среднего поля 2-го порядка» (Ivanov A.O., Kuznetsova O.B. Magnetic properties of dense ferrofluids: an influence of interparticle correlations // Physical Review E, 2001, V. 64, № 4, P. 041405-01-12). Суть такого подхода заключается в том, что межчастичное диполь-дипольное взаимодействие магнитных моментов феррочастиц проявляется в виде дополнительного эффективного поля, действующего на каждую феррочастицу. Разработанная модель весьма точно описывает кривые намагничивания, температурные и концентрационные зависимости начальной магнитной восприимчивости практически всех промышленно синтезируемых и агрегативно устойчивых феррожидкостей. Кроме того, теория успешно описывает диэлектрические свойства полярных жидкостей (Иванов А.О. Поляризация и диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей // Доклады Академии Наук, 1999, Т. 369, № 1, С. 35-39). Неоднократное использование этой модели различными исследовательскими группами в России, Германии, Франции, Румынии, США подтвердило ее высокую эффективность при описании магнитных свойств феррожидкостей. В настоящее время данная тематика развивается в двух направлениях: теоретическое исследование магнитных свойств предельно концентрированных феррожидкостей с аномально высокими магнитными характеристиками, и математическое моделирование магнитных свойств агрегированных феррожидкостей.

Развитие научных исследований магнитных свойств феррожидкостей на кафедре математической физики связано с именем В.Н. Багаева. Под его руководством в 1987-1990 годах А.О. Ивановым были получены первые результаты о влиянии межчастичных взаимодействий на кривую намагничивания ферроколлоидов. Дальнейшее развитие этого направления привело к созданию термодинамической теории возмущений 1-го порядка (Buyevich Yu.A., Ivanov A.O. Equilibrium properties of ferrocolloids // Physica A, 1992, V. 190, № 3-4, P. 276-294; Иванов А.О. Магнитостатические свойства умеренно-концентрированных ферроколлоидов // Магнитная гидродинамика, 1992, № 4, С. 39-46). Эта модель успешно описывала магнитные свойства слабо и умеренно концентрированных феррожидкостей, однако завышала намагниченность для плотных ферроколлоидов. Учет следующего порядка в теории возмущений и развитие модифицированной теории среднего поля 2-го порядка, очень точно описывающей магнитные свойтсва сильно концентрированных феррожидкостей и пригодной для магнитогранулометрического анализа, лежат в основе кандидатской диссертации О.Б. Кузнецовой, подготавливаемой к защите.

Микроструктурные образования в магнитных жидкостях.
На кафедре развиваются методы математического моделирования процесса формирования цепочечных агрегатов в магнитных жидкостях. Построена термодинамическая теория, позволяющая рассчитывать структуру цепочечных агрегатов в условиях динамического равновесия (Зубарев А.Ю., Искакова Л.Ю. К теории физических свойств магнитных жидкостей с цепочечными агрегатами // Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1995, Т. 107, Вып. 5, С. 1534-1551). На базе этой модели впервые было получено количественное объяснение сильного магнитореологического эффекта, наблюдаемого в исследовательской группе Университета г. Бремен (Германия) ( Zubarev A.Yu. ).
Используемый подход минимизации свободной энергии обобщен на случай полидисперсной феррожидкости (Ivanov A.O., Kantorovich S.S. Chain aggregate structure and magnetic birefringence in polydisperse ferrofluids // Physical Review E, 2004, V. 70, № 2, P. 021401-01-10), что позволило сформулировать цепочечную концепцию явления магнитного двулучепреломления в феррожидкостях. Дальнейшее развитие модели на случай формирования цепочечных агрегатов в феррожидкостях в магнитном поле привело к объяснению результатов молекулярно-динамического моделирования (Институт Макса Планка исследований полимеров, г. Майнц, Германия) по аномально высоким магнитным характеристикам слабо концентрированных агрегированных феррожидкостей с высокой интенсивностью диполь-дипольного взаимодействия (Mendelev V., Ivanov A.O. Ferrofluid aggregation in chains under the influence of a magnetic field // Physical Review E, 2004, V. 70, № 5, P. 051502-01-10).

Началом исследований в данном направлении на кафедре математической физики может считаться появление в печати широко цитируемой статьи А.Ю. Зубарева (Зубарев А.Ю., Искакова Л.Ю. К теории физических свойств магнитных жидкостей с цепочечными агрегатами // Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1995, Т. 107, Вып. 5, С. 1534-1551), в которой был сформулирован минимизационный метод для определения структуры цепочечных агрегатов в магнитных жидкостях.
Обобщение минимизационного подхода на полидисперсные феррожидкости позволили С.С. Канторович в ее кандидатской диссертации «Цепочечные агрегаты в полидисперсных магнитных жидкостях», 2004 г., сформулировать концепцию микроструктуры, согласно которой частицы крупнодисперсных фракций в феррожидкостях объединены в короткие цепочечные агрегаты, содержащие одну-две мелкие частицы по краям. В рамках этой картины успешно описаны явление магнитного двулучепреломления и поведение феррожидкостей в скрещенных магнитных полях.

 

Публикации

 

Форма авторизации

Пожалуйста авторизуйтесь


Полезные ссылки


Поиск по сайту