자성 유체

Ferrofluid
유리 위에 자석이 깔린 자성 유체
스티브 파펠은 1963년에 NASA를 위해 자성유체를 발명했다.

자성유체자석의 극에 끌리는 액체이다.이것은 운반 유체(일반적으로 유기 용제 또는 물)에 부유나노 크기의 강자성 또는 강자성 입자로 만들어진 콜로이드 액체입니다.각 자분에는 계면활성제를 철저히 도포하여 응집을 억제한다.큰 강자성 입자는 균질 콜로이드 혼합물에서 분리하여 강한 자기장에 노출되면 별도의 자기 먼지 덩어리를 형성할 수 있습니다.작은 나노 입자의 자기 흡인은 충분히 약해서 계면활성제의 반데르발스 힘은 자기 응집이나 응집을 방지하기에 충분합니다.강유체는 일반적으로 외부에서 인가되는 장이 없으면 자화를 유지하지 못하기 때문에 강자석이 [1]아닌 "슈퍼파라매그넷"으로 분류된다.

강유체와는 대조적으로 자기유체(MR 유체)는 입자가 큰 자성 유체입니다.즉, 자성유체는 주로 나노 입자를 포함하고 있는 반면, MR유체는 주로 마이크로미터 크기의 입자를 포함하고 있습니다.자성 유체 입자는 브라운 운동으로 부유하며 일반적으로 정상적인 상태에서는 침하되지 않는 반면, MR 유체 입자는 브라운 운동으로 부유하기에는 너무 무겁습니다.따라서 MR 유체 내의 입자는 입자와 캐리어 유체 간의 고유한 밀도 차이로 인해 시간이 지남에 따라 침전됩니다.그 결과, 강유체와 MR 유체의 용도는 매우 다릅니다.

자성유체를 만드는 과정은 1963년 NASA의 스티브 파펠에 의해 자기장을 [2]가함으로써 무중력 환경에서 연료 펌프 쪽으로 끌어당길 수 있는 액체 로켓 연료를 만들기 위해 발명되었다.자성 유체라는 이름이 도입되었고, 프로세스가 개선되었으며, 보다 높은 자성을 가진 액체가 합성되었으며, 추가적인 운반체 액체가 발견되었으며, R. E. 로젠스위그와 동료들에 의해 물리 화학이 설명되었습니다.게다가 로젠스위그는 강유체역학이라 불리는 유체역학의 새로운 분야를 진화시켜 강유체의 [3][4][5][6]흥미로운 물리적 현상에 대한 이론적 연구를 더욱 촉발시켰다.2019년, 매사추세츠 대학과 베이징 화학 공대 연구진은 외부 자기장을 제거해도 자성을 유지하는 영구 자성 자성 유체를 만드는 데 성공했다.연구원들은 또한 그 물방울의 자기 특성이 물리적으로 모양이 바뀌거나 [7]갈라져도 보존된다는 것을 발견했다.

묘사

R.E. 로젠스위그, 자성유체 연구실(1965년)

강유체는 자철광, 헤마타이트 또는 철을 포함한 다른 화합물, 그리고 액체(일반적으로 기름)의 매우 작은 나노 크기의 입자들로 구성되어 있습니다.이는 열 교반으로 캐리어 유체 내에서 균등하게 분산되고 유체의 전반적인 자기 반응에 기여할 수 있을 정도로 작습니다.이것은 (구리 수용액과 같은) 상사성 소금 용액에 이온이 존재하는 방식과 유사하다.2) 황산염 또는 망간(II)염화물)은 용액을 상사성 용액으로 한다.일반적인 자성유체의 구성은 [8]부피 기준으로 약 5%, 계면활성제 10%, 운반체 85%입니다.

강유체 입자는 종종 계면활성제를 사용하여 액체 속에 분산되므로 강유체는 콜로이드 현탁액입니다. 즉, 두 가지 이상의 물질 상태를 가진 물질입니다.이 경우 물질의 두 가지 상태는 고체 금속과 [9]액체입니다.자기장의 적용에 따라 상변화가 가능하기 때문에 씰, 윤활제로 사용할 수 있으며, 향후 나노 전기 공학 시스템에서 더 많은 응용 분야를 열 수 있습니다.

진짜 강유체는 안정적입니다.이는 매우 강한 자기장에서도 고체 입자가 응집되거나 상분리되지 않는다는 것을 의미합니다.그러나 계면활성제는 시간이 지남에 따라 분해되는 경향이 있으며, 결국 나노 입자가 응집되어 분리되어 유체의 자기 반응에 더 이상 기여하지 않습니다.

자기장유체(MRF)라는 용어는 자기장의 존재 하에서 굳어지는 강유체(FF)와 유사한 액체를 말합니다.자기기후학 유체는 강유체보다 1~3배 큰 마이크로미터 크기의 자성 입자를 가지고 있다.

하지만, 철유체는 퀴리 온도라고 알려진 충분히 높은 온도에서 자기 특성을 잃습니다.

정상장 불안정성

자성유체는 하얀 [clarification needed]접시 아래에 있는 자석의 극에 모이는 기름진 물질이다.

상사성 유체에 강한 수직 자기장이 가해지면 표면은 정점과 계곡의 규칙적인 패턴을 형성합니다.이 효과는 Rosensweig 또는 정상장 불안정성으로 알려져 있습니다.불안정성은 자기장에 의해 구동됩니다. 어떤 형태의 유체가 시스템의 [10]총 에너지를 최소화하는지 고려함으로써 설명할 수 있습니다.

자력에너지의 관점에서 볼 때 피크나 계곡은 에너지적으로 유리하다.파형 구성에서는 자기장이 피크에 집중되어 있기 때문에 유체가 공기보다 쉽게 자화되기 때문에 자기 에너지가 낮아집니다.그 결과,[11] 유체의 스파이크는 관련된 힘의 균형이 잡힐 때까지 장선을 타고 우주로 나갑니다.

동시에 중력과 표면 장력에 의해 봉우리와 계곡의 형성이 억제된다.계곡에서 유체를 스파이크까지 이동시키고 유체의 표면적을 늘리는 데 에너지가 필요합니다.요약하면, 파편의 형성은 표면 자유 에너지와 액체의 중력 에너지를 증가시키지만, 자기 에너지를 감소시킨다.파쇄는 자기 에너지의 감소가 표면 [12]및 중력 에너지 조건의 증가보다 클 때 임계 자기장 강도 이상에서만 형성됩니다.

표면장력 및 자기장 강도의 다양한 파라미터에 대한 자성유체 시뮬레이션

강유체는 예외적으로 높은 자화율을 가지며, 파쇄 개시 임계 자기장을 작은 막대 자석으로 실현할 수 있다.

자석의 영향을 받은 자성체의 매크로 사진.

일반적인 자성유체계면활성제

나노 입자를 코팅하는 데 사용되는 비눗물 계면활성제는 다음을 포함하지만 이에 한정되지 않습니다.

계면활성제는 나노입자가 뭉치는 것을 막아 입자가 현탁액에서 떨어지거나 자석 근처의 자성분진 더미에 뭉치지 않도록 한다.이상적인 자성 유체 속의 자성 입자는 강한 자기장에 노출되어도 절대 안정되지 않습니다.계면활성제는 나노입자에 흡착되는 극성 헤드 및 비극성 테일(또는 그 반대)을 가지며, 무극성 테일(또는 극성 테일)은 캐리어 매체에 돌출하여 입자 주위에 각각 역방향 또는 정방향 미셀을 형성한다.정전기적 반발은 입자의 응집을 막는다.

계면활성제는 강유체의 침전 속도를 연장하는 데 유용하지만 유체의 자기 특성(특히 유체의 자기 포화)을 방해하기도 합니다.계면활성제(또는 다른 이물질)를 첨가하면 활성화된 상태에서 철분자의 패킹 밀도가 감소하여 유체의 온스테이트 점도가 감소하여 "더 부드러운" 활성 유체가 생성됩니다.일부 자성유체 어플리케이션에서는 온상태 점도(활성유체의 '경도')는 그다지 중요하지 않지만 대부분의 상업 및 산업 어플리케이션에서는 주요 유체 특성이기 때문에 온상태 점도 대 강성유체의 침전 속도를 고려할 때 타협점을 충족해야 한다.

접시 밑 네오디뮴 자석에 의한 정상장 불안정성을 나타내는 자기장 내 자성 유체

적용들

실제.

전자 기기

하드 디스크의 회전하는 드라이브 샤프트 주위에 액체 씰을 형성하기 위해 강유체가 사용됩니다.회전축은 자석으로 둘러싸여 있습니다.자석과 샤프트 사이의 틈새에 놓인 소량의 자성유체는 자석에 대한 흡인력에 의해 제자리에 고정됩니다.자분 오일은 하드 드라이브 내부로 이물질이 유입되는 것을 방지하는 장벽을 형성합니다.Ferrotec의 엔지니어들에 따르면 회전축의 자성유체 씰은 일반적으로 [citation needed]3~4psi를 견딜 수 있습니다. 추가 씰은 더 높은 압력에 견딜 수 있는 어셈블리를 형성하기 위해 쌓을 수 있습니다.

기계 공학

강유체는 마찰 저감 기능을 가지고 있다.네오디뮴으로 만들어진 것과 같이 충분히 강한 자석의 표면에 적용하면 자석이 최소한의 저항으로 매끄러운 표면을 활공할 수 있습니다.

강유체는 기계 및 항공우주 분야의 반능동 댐퍼에도 사용할 수 있습니다.패시브 댐퍼는 일반적으로 부피가 크고 특정 진동원을 염두에 두고 설계되지만 액티브 댐퍼는 더 많은 전력을 소비합니다.자성유체 기반 댐퍼는 이 두 가지 문제를 모두 해결하며 헬리콥터 커뮤니티에서 인기를 끌고 있습니다. 헬리콥터 커뮤니티는 큰 관성 및 공기역학적 진동을 처리해야 합니다.

재료 과학 연구

Francis [13]Bitter가 개발한 기술을 이용하여 강자성 물질의 표면에 자기 영역 구조를 촬영하는 데 사용할 수 있다.

스피커

1973년부터 음성 코일의 열을 제거하고 원뿔의 움직임을 수동적으로 감쇠시키기 위해 스피커에 강유동체가 사용되었습니다.이들은 보통 음성 코일 주변의 공극과 같은 공간에 존재하며, 스피커의 자석으로 고정됩니다.강유체는 상사성 물질이기 때문에 퀴리의 법칙을 따르기 때문에 높은 온도에서는 자성이 떨어진다.음성 코일 근처에 배치된 강한 자석은 뜨거운 자성 유체보다 차가운 자성 유체를 더 많이 끌어당겨 가열된 자성 유체를 전기 음성 코일에서 멀리 히트 싱크 쪽으로 밀어냅니다.이는 추가 에너지 [14]입력이 필요 없는 비교적 효율적인 냉각 방법입니다.

어쿠스틱 리서치의 밥 버코위츠는 1972년 트위터 공명을 줄이기 위해 자성유체를 연구하기 시작했다.매사추세츠 에피큐어의 Dana Hathaway는 1974년 트위터 감쇠에 자성유체를 사용하다가 냉각 메커니즘을 발견했습니다.1976년에는 Becker Electronics의 Fred Becker와 Lou Melillo도 얼리어답터였고,[15] 1980년에는 Ferrotec에 입사하여 논문을 발표했다.쇼코는 1979년부터 우퍼를 [16]냉각하기 위해 자성유체를 사용하기 시작했다.파나소닉은 1979년에 상업용 확성기에 자성유체를 넣은 최초의 아시아 제조업체였다.그 분야는 1980년대 초에 급속히 성장했다.오늘날, 노트북, 휴대폰, 헤드폰,[17] 이어폰에 장착된 스피커를 포함하여, 매년 약 3억 개의 소리 발생 변환기가 자성 유체 안에서 생산된다.

세포 분리

항체 또는 스트렙타비딘(SA)이나 쥐 항쥐 Ig(RAM)와 같은 일반적인 포획제와 결합된 철유체는 세포 [18]분류의 서브셋인 면역자기 분리에 사용된다.이러한 복합 강유체는 표적 세포에 결합하고, 낮은 경사도의 자기 분리기를 사용하여 세포 혼합물로부터 자기적으로 분리하는 데 사용됩니다.이러한 강유체는 세포 치료, 유전자 치료, 세포 제조 과 같은 응용 분야를 가지고 있다.

시청각화

심미적인 면에서는 강유체를 표시하여 소리를 시각화할 수 있습니다.이를 위해 자성유체 방울을 투명한 액체 속에 부유시킨다.전자석은 음악의 음량 또는 오디오 주파수에 반응하여 자성체의 형상에 작용하여 곡의 고음 또는 [19][20]저음에 선택적으로 반응할 수 있게 한다.

예전의

의료 응용 프로그램

여러 강유체는 자기공명영상촬영에서 조영제로 사용하기 위해 시판되었으며,[21][22] 이는 조영제를 제공하기 위해 서로 다른 조직의 자기 완화 시간 차이에 따라 달라졌다.몇몇 요원과를 한 뒤 시장에서, Feridex IV(또한 Endorem고 ferumoxides 알려진), 2008년 중단하기;[23]resovist(또한 Cliavist으로 알려져), 2001년 2009년;[24]Sinerem(또한 Combidex으로 알려져), 2007년에 철수되고,[25]Lumirem(또한 Gastromark으로 알려져), 1996[26]2012년에,[27][28]Clariscan(또한 유명한 소개되었다.로 PEG-fero, Feruglose(및 NC100150)는 안전상의 [29]문제로 개발이 중단되었다.

미래.

우주선 추진

자기장의 영향을 받아 나노미터 크기의 바늘 모양의 뾰족한 선단을 자기 조립할 수 있다.임계 두께에 도달하면, 바늘은 큐브샛[30]같은 작은 위성을 추진하기 위한 추진 메커니즘으로 미래에 사용될 수 있는 제트를 방출하기 시작한다.

분석 기기

강유체는 굴절 특성 때문에 수많은 광학적 응용이 있습니다. 즉, 각 입자, 즉 마이크로 마그넷은 빛을 반사합니다.이러한 용도에는 편광자분석기 사이에 위치한 액체의 비점도 측정이 포함되며 헬륨-네온 [31]레이저로 조명됩니다.

의료 응용 프로그램

자성 약물 표적을 위해 강유체가 제안되었다.이 과정에서 약물은 자성유체에 부착되거나 자성유체 내에 밀폐되며 [32]자기장을 이용하여 표적화 및 선택적으로 방출될 수 있다.

전자파 에너지를 [33]열로 변환하는 표적 자기온도법도 제안되고 있습니다.

한 조직을 다른 조직으로부터 분리하는 나노 수술의 형태(예: 종양)[21]도 제안되고 있습니다.

열전달

다양한 감수성을 가진 자성유체에 가해지는 외부 자기장은 (예를 들어 온도 구배 때문에) 불균일한 자성체의 힘을 초래하고, 이는 열자기 대류라고 불리는 전달의 형태로 이어집니다.이러한 형태의 열 전달은 기존의 대류 열 전달이 불충분할 때(예: 미세 스케일 장치 또는 감소된 중력 조건 에서) 유용할 수 있습니다.

적절한 조성의 강유체는 열전도율이 매우 크게 향상될 수 있습니다(k; 베이스 유체 열전도율의 약 300%).k가 크게 향상된 것은 침투 나노 입자 경로를 통해 열을 효율적으로 전달하기 때문입니다.온도 대비 열전도율이 조절 가능한 특수 자성 나노유체는 열을 제거하면서 진동(댐퍼)을 억제할 수 있는 다기능 '스마트 재료'로 활용할 수 있다.이러한 유체는 마이크로 유체 장치 및 마이크로 전기 기계 시스템(MEMS)[34]에서 사용될 수 있습니다.

광학

지구 기반 천체 망원경용 [35]자성 유체로부터 적응형 광학 형태 변환 자기 거울을 만드는 연구가 진행 중이다.

광학 필터는 다른 파장의 빛을 선택하기 위해 사용됩니다.필터의 교환은 번거롭습니다.특히 조정 가능한 타입의 레이저로 파장이 계속 변화하는 경우는 더욱 그렇습니다.자계변화에 의해 파장이 다른 광학필터를 자성유체 [36]에멀젼으로 구축할 수 있다.

에너지 수집

강유체는 환경으로부터 진동 에너지를 수집할 수 있는 흥미로운 기회를 제공합니다.기존의 저주파(<100Hz) 진동 수집 방법에서는 고체 공진 구조를 사용해야 합니다.강유체를 사용하면 에너지 수확기 설계에 더 이상 단단한 구조가 필요하지 않습니다.자성유체 기반 에너지 수확의 간단한 예로는 자성유체를 용기 내부에 배치하여 외부 기계적 [37]진동을 사용하여 영구 자석으로 둘러싸인 용기 내부에 전기를 발생시키는 것입니다.우선 자성유체를 철사로 감싼 용기 안에 넣는다.자성유체는 영구 자석을 사용하여 외부로 자화된다.외부 진동에 의해 자성유체가 용기 내에서 슬러시되면 와이어 코일에 대한 자속장에 변화가 있습니다.패러데이의 전자기 유도 법칙을 통해 자속 [37]변화로 인해 와이어 코일에 전압이 유도됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

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참고 문헌

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외부 링크