Ferrofluidi - mitä se on ja kuinka tehdä ferromagneettinen neste itse. DIY ferromagneettinen neste lasertulostinpatruunalla Väriaine ja magneetti

Tieteellisistä löydöistä kaukana olevalle henkilölle, joka sanoi hyvästit fysiikalle tai kemialle koulussa, monet asiat näyttävät epätavallisilta. Käyttäen esimerkiksi sähkölaitteita jokapäiväisessä elämässä, emme ajattele, miten ne tarkalleen toimivat, pitäen sivilisaation edut itsestäänselvyytenä. Mutta kun on kyse jostakin, joka ylittää jokapäiväisen havainnon, jopa aikuiset hämmästyvät, kuten lapset, ja alkavat uskoa ihmeisiin.

Miten taikuuden lisäksi voidaan selittää ilmiö, jossa kolmiulotteiset hahmot, kukat ja pyramidit, maagiset maalaukset korvaavat toisiaan näennäisesti tavallisesta nesteestä? Mutta se ei ole taikuutta, vaan tiede tarjoaa perustelun sille, mitä tapahtuu.

Mikä on ferrofluidi?

Puhumme ferrofluidista - kolloidisesta järjestelmästä, joka koostuu vedestä tai muusta orgaanisesta liuottimesta, joka sisältää pieniä magnetiittihiukkasia, ja mistä tahansa materiaalista, joka sisältää rautaa. Niiden koko on niin pieni, että on vaikea edes kuvitella: ne ovat kymmeniä kertoja ohuempia kuin ihmisen hiukset! Tällaiset mikroskooppiset kokoindikaattorit mahdollistavat niiden tasaisen jakautumisen liuottimessa lämpöliikkeen avulla.

Toistaiseksi, niin kauan kuin ulkopuolista vaikutusta ei ole, neste on tyyni, peiliä muistuttava. Mutta heti kun tuot tähän "peiliin" suunnatun magneettikentän, se herää eloon ja näyttää katsojalle hämmästyttäviä kolmiulotteisia kuvia: maagiset kukat kukkivat, liikkuvat hahmot kasvavat pinnalla muuttuen kentän vaikutuksesta.

Magneettikentän voimakkuudesta ja suunnasta riippuen kuvat muuttuvat silmiemme edessä - nesteen pinnalle ilmestyvistä vaaleista, tuskin havaittavista väreistä neulojen ja piikkien läpi, jotka muuttavat terävyyttä ja kaltevuutta ja kasvavat kukiksi ja puiksi.

Kyky luoda värimaalauksia taustavalolla, todella lumoava katsojalle, paljastaa hänelle tuntemattoman maailman.

Valitettavasti metallihiukkaset, vaikka niitä kutsutaan ferromagneettisiksi, eivät ole ferromagneettisia täydessä merkityksessä, koska ne eivät voi säilyttää tuloksena olevaa muotoaan magneettikentän katoamisen jälkeen. Koska niillä ei ole omaa magnetointiaan. Tässä suhteessa tämän löydön käyttö, joka ei muuten ole täysin uusi - sen teki amerikkalainen Rosenzweig viime vuosisadan puolivälissä, ei ole löytynyt laajaa sovellusta.

Kuinka valmistaa ja missä käytetään ferromagneettista nestettä?

Ferronesteitä käytetään elektroniikassa ja autoteollisuudessa, ja haluaisin uskoa, että niiden laaja käyttö ei ole kaukana ja nanoteknologian kehittyessä niitä käytetään melko laajasti. Sillä välin tämä on enimmäkseen hauskaa ihailevalle yleisölle, jota hemmottelevat erilaiset silmälasit.

Kolmiulotteiset maalaukset saavat katsomaan niitä hengitystä pidätellen, epäilemään, onko kyseessä montaasi, ja etsimään tapahtumille selitystä ainakin Internetistä. Kuka tietää, ehkä pikkupoika, joka tänään katselee metallisia "eläviä" värejä ja hahmoja suu auki, löytää huomenna täysin uudenlaisen sovelluksen tälle ilmiölle ja tekee vallankumouksen tieteessä ja tekniikassa. Mutta se on huomenna, mutta toistaiseksi – katso ja nauti!

Tulostinpatruunoissa olevilla väriaineilla on mielenkiintoisia magneettisia ominaisuuksia, joita voit kokeilla rauhassa. Niiden tuottama vaikutus on erittäin mielenkiintoinen, koska neste alkaa vetää kohti magneettia ja lisäksi yksittäiset elementit muodostavat outoja geometrisia muotoja. Totta, kaikki väriaineet eivät sovellu näiden vaiheittaisten ohjeiden toistamiseen. Vain tummia väriaineita tarvitaan, koska värilliset väriaineet valmistetaan ilman tummia magneettisia hiukkasia.

Materiaalit

Magneettisen nesteen valmistamiseksi omin käsin tarvitset:

• paksu paperiarkki;
• suojakäsineet;
• suojanaamari;
• tyhjä lasikuppi;
• muovinen tarra sekoittamiseen;
• kasviöljy;
• lusikka;
• leveä muovisäiliö, kuten lautanen.

Vaihe 1. Avaa kasetti varovasti, jotta voit kaataa väriaineen siitä lasikuppiin. Yhteensä tarvitset noin 50 mm nestettä. Tarkista, onko valitsemallasi nesteellä magneettisia ominaisuuksia, ajamalla magneetti lasin seinää pitkin. Jos se on aktivoitu, kokeilua voidaan jatkaa.

Väriaineneste ei ole terveydelle haitallista, ellet hengitä tai juo sitä. Siksi sinun on käytettävä suojakäsineitä ja maskia ennen tämän työn suorittamista. Näin vähennät myrkytyksen todennäköisyyttä, jos nestettä joutuu vahingossa käsillesi.

Vaihe 2. Jo vastaanottamiesi tavaroiden määrään sinun on lisättävä kaksi ruokalusikallista kasviöljyä. Sekoita saamasi seos huolellisesti muovitarralla. Kokeen jatkamiseksi sen on oltava homogeeninen.

Vaihe 3. Sinun on kaada saatu magneettinen neste varovasti laajaan astiaan. Juuri tätä tarvitaan nähdäksesi kaiken, mitä tapahtuu tuloksena olevalle magneettiselle nesteelle.

Levitä magneetti levyn pohjasta ulospäin. Kiinnitä huomiota siihen, mitä säiliön sisällä tapahtuu. Magneetin kosketuskohdassa neste tulee kerätä tilavaan siilin muotoiseen tuberkkeliin. Nämä ovat magneettisia hiukkasia, joita valmistajat lisäävät väriaineeseen. Ne voivat olla pienempiä tai suurempia, mikä taas riippuu valmistajasta.

Vaihe 4. Tällä nesteellä voit tehdä magneettikuvion. Tätä varten sinun on kaadettava osa nesteestä paksulle paperille ja pidettävä magneettia takapuolella. Siirtämällä sitä puolelta toiselle, piirrät.

Jos tahraat esineitä tai huonekaluja väriaineella, huuhtele kaikki pois kylmällä vedellä, sinun pitäisi pystyä tekemään tämä ilman ongelmia. Älä missään tapauksessa käytä kuumaa vettä, sillä se kiinnittää pigmentin ja tekee sen pesemisen mahdottomaksi.

Ferroneste, alias magneettinen neste- erittäin mystinen ja utelias asia. Näin sen ensimmäisen kerran noin kymmenen vuotta sitten Pariisin tiede- ja teknologiamuseossa, jossa yksi näyttelyesineistä oli tiiviisti suljettu lasiastia, jonka sisällä oli öljyistä mustaa nestettä. Magneettipari oli lähellä. Kun ne tuotiin astiaan, neste reagoi, nousi seisomaan kuin siili ja muodosti kuvan melko uhkaavalta näyttävistä piikkeistä, jotka toistavat magneetin muotoa. Siellä oli myös lyhyt kuvaus siitä, mitä se on ja mitä he syövät sen kanssa. Silloin opin nimen - ferrofluid. Tietysti hän halusi sitä intohimoisesti, mutta sitten ei ollut mitään ideoita, mistä sen saisi, tai mahdollisuuksia tähän. Ja nyt, kymmenen vuoden kuluttua...

Ferrofluidi on itse asiassa ferromagneettisten nanohiukkasten (yleensä magnetiitti) suspensio, jonka koko on noin 10 nm (harvemmin suurempi), sekoitettuna pinta-aktiiviseen aineeseen (orgaaniseen liuottimeen, kuten öljyhappoon tai veteen), joka muodostaa eräänlaisen kalvon. nanohiukkasten ympärillä, eivätkä anna niiden tarttua yhteen. Magneettikentän vaikutuksesta hiukkaset asettuvat riviin sen linjoja pitkin muodostaen nämä tunnusomaiset neulat. Periaatteessa on epätodennäköistä, että pystyn kuvailemaan ferrofluidin ominaisuuksia paremmin kuin Wikissä, joten suosittelen niitä, jotka haluavat oppia lisää teoriasta siellä.

Löysin eBaysta etsimäni arvokkaan purkin, kuten monet muutkin asiat. En ollut kovin tyytyväinen hintalappuun, mutta vaihtoehtoja ei käytännössä ollut (muuten, supermagnete.de:ssä se on neljä kertaa kalliimpi), joten minun piti tilata se. Ja nyt, kuukautta myöhemmin, minulla on vihdoin purkki. 8 unssia sitä outoa mustaa tavaraa.
Ensimmäinen asia, joka huomattiin, oli, että se oli villisti likainen. Jos tippa ferronestettä joutuu vaaleiden vaatteiden päälle, tämä tahra ei poistu MIllään. Ja on erittäin, erittäin suositeltavaa käyttää käsineitä työskennellessäsi sen kanssa. Toiseksi se roiskuu villisti. Pisaroita löytyi kaikkein arvaamattomimmista paikoista. Ja kolmanneksi, johtuen kahden ensimmäisen ominaisuuden yhdistelmästä, tämä purkki ei kestä kauan :)

Itse asiassa, kuten useiden kokeiden jälkeen kävi ilmi, todella mielenkiintoisten kuvien saamiseksi hiukkasten jakautumisesta tarvitaan tehokkaita sähkömagneetteja ja hahmoja, joilla on monimutkainen reunamuoto (kuten porat, hammaspyörät jne.), ja hyvä tapa sähkömagneetti on kierrettävä juuri tähän esineeseen. Viihde kestomagneeteilla on mielenkiintoista, mutta ensinnäkin magneetit ovat melko heikkoja suurten kuvien saamiseksi, ja toiseksi tämä on viihdettä noin viiden minuutin ajan, koska nesteen käyttäytyminen osoittautuu melko yksitoikkoiseksi.

Tästä huolimatta olemme toistaiseksi onnistuneet keksimään enemmän tai vähemmän värikkään vaihtoehdon kestomagneettien käyttämiseen ferronesteen kanssa: sinun on tuotava magneetti ei alhaalta, vaan ylhäältä (tietysti lasi- tai muovikerroksen läpi), ja sitten voit tarkkailla kuinka ferrofluidin kulhon keskeltä kasvaa pylväs ja magneetin alla oleva lasi alkaa harjata virtaavan nesteen neuloja. Lisäksi nestettä alas vetävä painovoima lisää merkittävästi neulojen pituutta.

Ferronestettä on erittäin vaikea kuvata hyvin. Sen erittäin terävän kiiltävän valon heijastuksen ja täydellisen mustuuden ansiosta missä tahansa huomattavan paksussa kerroksessa (muuten, erittäin ohuessa kerroksessa se on ruskea), piikkien rajojen kuvaaminen osoittautuu vaikeaksi. Mutta lopulta keksin, mitä tehdä: kuvata noin viiden sekunnin suljinnopeudella ja heiluttaa tänä aikana taskulamppua, joka valaisee kiinnittyneen ferronesteen siilin eri puolilta.

Muuten, voit yrittää valmistaa ferronestettä itse. Koska en ole vielä kokeillut, en mene yksityiskohtiin, mutta kun pääsen asiaan, kirjoitan varmasti mitä ja miten. Suurin vaikeus on suspension sentrifugoinnin tarve, mutta voit yrittää tyytyä improvisoiduilla keinoilla, koska sentrifugia ei kuitenkaan ole.

Erityisesti haluaisin mainita ferronesteveistoksia. Tämä on se, mihin pyrin ja mitä haluan lopulta saada häneltä. Erittäin kiehtova näky, varsinkin ne levitoivat.

On kulunut 52 vuotta siitä, kun NASAn työntekijä Steve Papell keksi ferronesteen. Hän ratkaisi hyvin erityistä ongelmaa: kuinka painottomuuden olosuhteissa pakotetaan raketin polttoainesäiliössä oleva neste lähestymään reikää, josta pumppu pumppasi polttoainetta polttokammioon. Silloin Papell keksi ei-triviaalin ratkaisun - jonkinlaisen magneettisen aineen lisäämisen polttoaineeseen polttoaineen liikkeen säätelemiseksi säiliössä ulkoisen magneetin avulla. Näin syntyi ferromagneettinen neste.

Papell käytti magnetiittia (Fe 3 O 4) magneettisena aineena, jota hän murskasi erityisellä tekniikalla (jauhettu öljyhapon kanssa) useiden päivien ajan. Tuloksena oli stabiili kolloidinen suspensio, jossa oli stabiilisti pieniä, kooltaan 0,1-0,2 mikronia olevia magnetiittihiukkasia. Öljyhappo tässä järjestelmässä toimi pinnan modifioijana, joka esti magnetiittihiukkasia tarttumasta yhteen. S. Papellan patentti US 3215572 A (Matalan viskositeetin magneettinen neste, joka saadaan magneettisten hiukkasten kolloidisesta suspensiosta) on avoin ja se on katsottavissa Internetissä. Ferromagneettisen nesteen klassinen koostumus on 5 % (tilavuudesta) magneettisia hiukkasia, 10 % pintamodifioijaa (öljy-, sitruuna- tai polyakryylihappoa jne.). Loput ovat orgaanisia liuottimia, mukaan lukien nestemäiset öljyt.

Kiinnostus magneettisia nesteitä kohtaan on herännyt viime vuosina, ja nykyään niille on jo löydetty monia käyttökohteita. Jos levität tällaista nestettä neodyymimagneettiin, magneetti liukuu pinnan yli minimaalisella vastuksella, eli kitka vähenee jyrkästi. Lentokoneiden radio-absorboivia pinnoitteita valmistetaan Yhdysvalloissa ferromagneettiseen nesteeseen perustuen. Ja kuuluisan Ferrarin luojat käyttävät magnetorheologista nestettä auton jousituksessa: magneettia manipuloimalla kuljettaja voi tehdä jousituksen kovemmaksi tai pehmeämmäksi milloin tahansa. Ja nämä ovat vain muutamia esimerkkejä.

Magneettinen neste on hämmästyttävä materiaali. Kun asetat sen magneettikenttään, hajallaan olevat magneettiset hiukkaset yhdistyvät ja asettuvat riviin kenttäviivoja pitkin muuttuen täysin kiinteäksi aineeksi. Nykyään monissa viihdeohjelmissa esitetään temppuja magneettinesteellä, jotka magneetin kanssa kosketuksissa muuttuvat siileiksi tai kaktuksiksi, jotka ovat symmetrisesti moitteettomia. Tietysti voit ostaa ferromagneettista nestettä, mutta on paljon mielenkiintoisempaa tehdä se itse.

Kirjoitimme siitä, kuinka saada itsekovettuva magneettineste, jonka avulla voit tutkia magneettisten hiukkasten muodostamia rakenteita mikroskoopilla ("Kemia ja elämä", 2015, nro 11) Ja tässä on toinen kotitekoisen resepti ferromagneettinen neste. Ota 50 ml lasertulostimen väriainetta. Tämä jauhe koostuu vähintään 40 % magnetiitista, jonka hiukkaskoko on 10 nanometriä tai vähemmän. Väriaine sisältää myös välttämättä pintamodifioijaa, jotta nanopartikkelit eivät tartu yhteen. Lisää 30 ml kasviöljyä (kaksi ruokalusikallista) 50 ml:aan väriainetta ja sekoita huolellisesti, säästämättä aikaa tässä prosessissa. Tuloksena on musta homogeeninen neste, joka on samanlainen kuin smetana. Kaada se nyt tasaiseen lasiastiaan, jossa on sivut niin, että kerrospaksuus on vähintään senttimetri. Aseta magneetti säiliön pohjan alle ja kova siili ilmestyy välittömästi nesteeseen tässä vaiheessa. Sitä voidaan siirtää magneetin avulla. Jos tuot magneetin nesteen pinnalle tai sivulta, neste kirjaimellisesti hyppää ulos magneettia kohti, joten ole varovainen. Tämän ongelman välttämiseksi voit asettaa magneettisen nesteen pieneen lasiseen erlenmeyerpulloon täyttämällä sen puoliväliin tai hieman vähemmän. Kallista pulloa nestekerroksen muodostamiseksi pullon kylkeen ja pidä magneettia lähellä lasia.

Menestys riippuu magneetin vahvuudesta (pientä neodyymimagneettia voi ostaa kaupoista) ja väriaineen laadusta. Jälkimmäisessä tapauksessa sinun on varmistettava, että se sisältää magneettista jauhetta.

Viime vuosisadan 1990-luvun alussa elokuva "Terminaattori 2" julkaistiin elokuvateattereille. Kaikki katsojat hämmästyivät Robert Patrickin esittämän viskoosista metallista valmistetun kyborgimurhaajan kyvystä omaksua erilaisia ​​​​asuja.

Ammattimaisesti tehtyä tietokoneanimaatiota ihaillessamme emme silloin ajatelleet sitä tosiasiaa, että kyborgimurhaajan fantastisten muutosten vaikutusta voidaan simuloida todellisissa olosuhteissa.

Ferromagneettinen neste on materiaali, jonka avulla voit nähdä liikkuvia veistoskoostumuksia. Klassinen aine voi vetää puoleensa tai karkottaa kaikki aineet. Mutta useimpien reaktio on niin heikko, että se voidaan havaita vain erityisillä laitteilla. Olisi hienoa, jos olisi mahdollista lisätä materiaaleja tuhoamatta niiden rakennetta ja muuttamatta radikaalisti niiden alkuperäisiä ominaisuuksia.

Kaikki muuttui, kun kemistit puuttuivat tämän ongelman ratkaisemiseen ja loivat ferromagneettisia nesteitä, joilla oli hyvä juoksevuus. He pystyivät saamaan pienimmät magneettiset hiukkaset, jotka joutuivat nesteisiin, ja joutuessaan magneettikentälle ne eivät nippuuntuneet ja laskeutuneet, vaan tekivät nesteestä "kiinteän".

Ferromagneettinen neste on hyvin pienten hiukkasten kolloidinen dispersio, joka on stabiloitu vesi- tai hiilivetyväliaineeseen ja jota tuetaan pinta-aktiivisilla aineilla. Tällaiset nesteet ovat stabiileja useita vuosia ja niillä on hyvä juoksevuus yhdistettynä magneettisiin ominaisuuksiin.

Ferromagneettista nestettä voidaan tuottaa monella tavalla. Prosessi on melko yksinkertainen ja koostuu kahdesta vaiheesta. Ensinnäkin on tarpeen saada magneettiset hiukkaset, joiden koko on lähellä kolloidista. Ja seuraava vaihe on stabiloida ne nestemäisessä pohjassa.

Aihe tällaisten nesteiden käytännön käyttömahdollisuuksista on edelleen erittäin ajankohtainen tutkijoille. Viime vuosina he ovat työskennelleet jätevesien puhdistamiseksi tällaisilla öljytuotteiden nesteillä. Tämän prosessin periaate on öljytuotteiden magnetointi tuomalla magneettisia nesteitä jäteveteen. Ja sitten magnetoidut öljytuotteet erotetaan erityisillä järjestelmillä.

Ferromagneettista nestettä käytetään myös lääketieteessä. Esimerkiksi syöpälääkkeet vahingoittavat terveitä soluja. Mutta jos sekoitat lääkkeitä tällaiseen nesteeseen ja ruiskutat sen potilaan vereen ja asetat magneetin kasvaimen lähelle, seos keskittyy oikeaan paikkaan eikä vahingoita koko kehoa.

Tässä on toinen esimerkki. Iskunvaimentimia valmistavat yritykset kaatavat ferromagneettisia nesteitä iskunvaimentimiinsa. Niihin liitetty sähkömagneetti tekee nesteestä välittömästi viskoosia tai nestemäistä. Tällä tavalla auton jousitusta säädetään.

Tällaisilla nesteillä on myös mielenkiintoisia ominaisuuksia. Jos johdat ääniaallon magnetoidun nesteen läpi, lähellä olevaan nesteeseen syntyy sähköinen käyttövoima. Ja kauemmas. Jos lisäät saippuakuplien liuokseen magneettista nestettä, saat lumoavan suorituskyvyn.