Полевая зависимость ротационного эффекта в магнитных жидкостях

Цель исследования. Динамика вращения масс жидкости, изучение равновесных форм вращающихся жидких тел и их неравновесных состояний традиционно привлекает внимание исследователей. Центральной проблемой настоящей работы является экспериментальное исследование ротационного эффекта в магнитной жидкости. За счет пространственной ориентации наночастиц магнетита под действием внешнего вращающегося магнитного поля макроскопическая капсула с образцом приобретает вращательный момент, величина которого зависит от множества параметров. Обсуждается зависимость ротационного эффекта от частоты и амплитуды внешнего вращающегося магнитного поля, а также от концентрации и вязкости образца магнитной жидкости. 

Методы. Объектом исследования являются магнитные жидкости APG 942 и APG 2135, изготовленные на заводе Ferrotec Corporation (Япония), и их производные, полученные путем смешивания с жидкостями додекан и дуразин. 

Экспериментальные данные получены на установке, представляющей собой торсионный маятник, находящийся во вращающемся магнитном поле. Исследуемые образцы заливаются в сферическую капсулу и подвешиваются на тонкой упругой нити. Размещенная под образцом веб-камера регистрирует угол поворота сферы относительно положения равновесия. 

Результаты. В результате экспериментальных исследований получен массив данных по зависимости величины ротационного эффекта в магнитной жидкости от амплитуды и частоты внешнего магнитного поля. Обсуждается влияние на ротационный эффект концентрации, магнитных характеристик и вязкости образцов магнитной жидкости. Предлагается агрегационная модель ротационного эффекта, описывающая экспериментальные данные с точки зрения образования и разрушения агрегатов и кластеров из магнитных наночастиц. 

Заключение. Результаты работы позволяют анализировать магнитные дисперсные системы с точки зрения их строения и внутренней структуры и могут быть использованы при разработке устройств, основанных на воздействии переменных магнитных полей на магнитную жидкость.

1. Moskowitz R., Rosensweig R. E. Nonmechanical torque‐driven flow of a ferromagnetic fluid by an electromagnetic field // Appl. Phys. Lett. 1967. Vol. 11. P. 301–303.

2. Kumar C. S., Mohammad F. Magnetic nanomaterials for hyperthermia-based therapy and controlled drug delivery // Advanced Drug Delivery Reviews. 2011. Vol. 63. P. 789–808.

3. “Negative-Viscosity” Effect in a Magnetic Fluid / J. C. Bacri, R. Perzynski, M. I. Shliomis, G. I. Burde // Phys. Rev. Lett. 1995. Vol. 75. P. 2128–2131.

4. Flows and torques in Brownian ferrofluids subjected to rotating uniform magnetic fields in a cylindrical and annular geometry / I. Torres-Diaz, A. Cortes, Y. Cedeño-Mattei, O. Perales-Perez, C. Rinaldi // Physics of Fluids. 2014. Vol. 26. P. 012004.

5. Chaves A., Zahn M., Rinaldi C. Spin-up flow of ferrofluids: Asymptotic theory and experimental measurements // Phys. Fluids. 2008. Vol. 20. P. 053102.

6. Torres-Diaz I., Rinaldi C. Ferrofluid flow in a spherical cavity under an imposed uniform rotating magnetic field: Spherical spin-up flow // Phys. Fluids. 2012. Vol. 24. P. 082002.

7. Morozov K. I., Engel A., Lebedev A. V. Shape transformations in rotating ferrofluid drops // Europhys. Lett. 2002. Vol. 58. P. 229–235.

8. Brown W. F. J. Thermal Fluctuations of a Single-Domain Particle // Phys. Rev. 1963. Vol. 130, is. 5. P. 1677–1686.

9. Kagan I. Y., Rykov V. G., Yantovskii E. I. Flow of a dielectric ferromagnetic suspension in a rotating magnetic field // Magnetohydrodynamics. 1973. Vol. 9. P. 258–261.

10. Zaitsev V. M., Shliomis M. I. Entrainment of ferromagnetic suspension by a rotating field // J. Appl. Mech. Tech. Phys. 1967. Vol. 10, is. 5. P. 696–700.

11. Rosensweig R. E., Popplewell J., Johnston R. J. Magnetic fluid motion in a rotating field // J. Magn. Magn. Mater. 1990. Vol. 85. P. 171–180.

12. Usadel K. D., Usadel C. Dynamics of magnetic single domain particles embedded in a viscous liquid // J. Appl. Phys. 2015. Vol. 118. P. 234303.

13. Usadel K. D. Dynamics of magnetic nanoparticles in a viscous fluid driven by rotating magnetic fields // Phys. Rev. B. 2017. Vol. 95. P. 103–108.

14. Scherer C., Figueiredo Neto A. M. Ferrofluids: Properties and Applications // Brazilian Journal of Physics. 2005. Vol. 35. P. 718–727.

15. Usov N. A. Low frequency hysteresis loops of superparamagnetic nanoparticles with uniaxial anisotropy // J. Appl. Phys. 2010. Vol. 107. P. 123909.

16. Topical review: Applications of magnetic nanoparticles in biomedicine / Q. A. Pankhurst, J. Connolly, S. K. Jones, J. Dobson // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. Vol. 36. P. R167–R181.

17. Li Q., Xuan Y., Wang J. Experimental investigations on transport properties of magnetic fluids // Exp. Therm. Fluid Sci. 2005. Vol. 30. P. 109–116.

18. Connolly J., Pierre T. G. St. Proposed biosensors based on time-dependent properties of magnetic fluids // J. Magn. Magn. Mater. 2001. Vol. 225, no. 1–2. P. 156–160.

19. Quantification of specific bindings of biomolecules by magnetorelaxometry / D. Eberbeck, C. Bergemann, F. Wiekhorst, U. Steinhoff, L. Trahms // J. Nanobiotechnol. 2008. Vol. 6. P. 1–12.

20. Biological sensors based on Brownian relaxation of magnetic nanoparticles / S. H. Chung, A. Hoffmann, S. D. Bader, C. Liu, B. Kay, L. Makowski, L. Chen // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 85. P. 2971–2973.

21. Kafrouni L., Savadogo O. Recent progress on magnetic nanoparticles for magnetic hyperthermia // Prog. Biomater. 2016. Vol. 5. P. 147–160.

22. Measurement of the torque on diluted ferrofluid samples in rotating magnetic fields / A. M. Storozhenko, R. Stannarius, A. O. Tantsyura, I. A. Shabanova // J. Magn. Magn. Mater. 2017. Vol. 431. P. 66–69.

23. Pshenichnikov A. F., Lebedev A. V. Action of a rotating magnetic field on a dielectric cylinder immersed in a magnetic fluid // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 1996. Vol. 37. P. 305–310.