Ферромагнитные жидкости

Государственное бюджетное общеобразовательное  учреждение города Москвы "Школа № 000"

Ферромагнитные жидкости

        Выполняли:

        Ученицы 9 «Г» класса

 

  Ю Ма Ри

  Научный руководитель:

 

Москва 2017

Содержание

Аннотация…………………………………………………………………. 3 Введение…………………………………………………………………… 3 Теоретическая часть………………………………………………………. 4 История открытия………………………………………………….. 4 Что такое ферромагнитная жидкость……………………………... 5 Строение ферромагнитной жидкости…………………………….. 5 Типы магнитных жидкостей………………………………………. 6 Эксперименты с ферромагнитной жидкостью…………………… 7 Гипертермия………………………………………………………… 8 Практическая часть…………………………………………………….... 11 Получение ферромагнитных жидкостей………………………… 12 Получение магнитной жидкости на основе Fe3O4……….. 12 Получение магнитных жидкостей на основе CoFe2O4 и MnFe2O4…………………………………………….............. 14 Заключение………………………………………………………………. 16 Список используемой литературы……………………………………....16

Аннотация

Невероятно красивую и удивительную жидкость, которая способна притягиваться к магниту, можно получить самостоятельно, проделав пару опытов. Это исследование посвящено рассмотрению свойств, характера, способов применения и получения ферромагнитных жидкостей. Также проанализирован вопрос о способах диагностики и лечения раковых опухолей с помощью данной жидкости.

Введение.

Проблемы исследования: Несмотря на широкое применение, мы мало знаем о ферромагнитной жидкости, способах её получении и магнитных свойствах.

Актуальность работы: На сегодняшний день самое значительное и передовое направление науки и техники – это нанотехнологии. Ее возможности выходят за все рамки, ее мощь вселяет страх.

Технологии получения магнитных жидкостей и применения их в различных областях науки в наше время являются актуальными. На сегодняшний день ими заинтересованы специалисты в области химии, физики, биологии и медицины.

Объект исследования: Ферромагнитная жидкость.

Цели исследования: Изучить свойства, способы применения и значения ферромагнитных жидкостей.

Задачи исследования:

Понять, что такое ферромагнитные жидкости и какое значение они имеют в нашей жизни. Познакомиться с историей открытия жидкости. Изучить распространенные методы получения ферромагнитной жидкости. Исследовать свойства ферромагнитной жидкости.

Гипотеза: имея простые реактивы, можно получить ферромагнитную жидкость с хорошими магнитными свойствами в школьной лаборатории и изучить её свойства.

Методы исследования: В ходе работы были проанализированы основные информационные источники об объекте исследования, его химическом составе и строении, химизме способов получения, свойствах, определении оптимальной методики получения ферромагнитной жидкости, направления применения.
В практике была получена ферромагнитная жидкость.

Теоретическая часть История открытия

Магнитные жидкости были изобретены еще в 60-х голах начала 20 века. Они были синтезированы почти одновременно в США и России. В результате механического измельчения частиц магнетита в шаровых мельницах были получены первые магнитные жидкости. Эта работа была проделана американским ученым Соломоном Стивеном Пайпеллом. Дробление проводили в течение 1000 часов в присутствии поверхностно-активного вещества. Магнетитовая пудра смешивалась с жидкой основой (керосином) и ПАВ (олеиновой кислотой), содержание которого составляло 10 – 20 % объёма основы. Разовая загрузка магнетита в жидкую фазу не превышала 0,2 кг/л. Такое соотношение между магнетитом и поверхностно-активным веществом создавало благоприятные условия для получения мономолекулярного защитного слоя на каждой частице. Ее средний размер в конечном продукте был около 10 нм. Р. Кайзер усовершенствовал описанный процесс и получил магнитные жидкости на воде, органических основах (в том числе ароматических углеводородах) и эфирах.

В СССР основоположником ферромагнитных жидкостей был Дмитрий Васильевич Орлов. В 1965 году в Ивановском энергетическом институте начались работы по созданию магнитных жидкостей. Сегодня магнитные жидкости исследуются во многих странах мира.

С 2000-х годов Sochiko Kodama(японский ученый, художник, физик) начинал работу над инсталляциями, для которых материалом служит ферромагнитная жидкость.

«Меня вдохновляет сама жизнь, сама природа. Органические формы, геометрия, симметрия в растениях и животных, равно как и их движение, дыхание-очень вдохновляют, особенно когда заходит речь об интерактивном искусстве-ведь тут все происходит прямо у вас на глазах,»-рассказывает ученый.

Что такое ферромагнитные жидкости

Магнитные жидкости представляют собой коллоидные дисперсии магнитных материалов (ферромагнетиков: магнетита, ферритов) с частицами размером от 5 нанометров до 10 микрометров, стабилизированные в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводороды и силиконы) средах с помощью поверхностно-активных веществ или полимеров. Они сохраняют устойчивость в течение двух-пяти лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами.

Строение ферромагнитной жидкости
Магнитная жидкость состоит из трёх составляющих.
а) измельченные до 8-15 нм частички магнетита.
Более крупные частицы притянутся к магниту по отдельности и при размешивании в воде, они упадут на дно, более мелкие не обладают достаточным магнитным свойством.
б) В жидкости частички магнетита взвешены.
в) Третьим составляющим является защитная оболочка. Чтобы частицы не слиплись их помещают в защитную оболочку, состоящую из олеиновой кислоты, которая взаимодействует как с частичками магнетита, так и с молекулами жидкостной основы.

Все составляющие нужно перемешать, так, чтобы получилась однородная масса, коллоидный раствор. Под действием силы тяжести частички не падают вниз, т. к. тепловое движение удерживает их во взвешенном состоянии. Типы магнитных жидкостей
Обычно магнитные жидкости принято разделять на 2 типа:
1) Феррожидкости
2) Магнитореологические жидкости
Феррофлюид – она же ферромагнитная жидкость, необычайно интересная, необычная и полезная вещь. Казалось бы, ничего особенного. Но на самом-то деле все не так просто. Ферромагнитная жидкость способна помочь разогнаться машине до огромной скорости, добыть золото, защитить от радиации, помочь раскрутить космический корабль в космосе и даже вылечить рак! Казалось бы, это невозможно. Давайте же попробуем разобраться с этим.
Ферромагнитные жидкости имеет два состояния – это твёрдый металл и жидкость. Ферромагнитные жидкости можно использовать в качестве уплотнителей, смазки, а также можно найти применения в будущих наноэлектромеханических системах.
Эта жидкость имеет широкое применение в электронных устройствах, машиностроении, оборонной промышленности, медицине, горнорудной промышленности, аналитических приборах и даже в авиакосмической промышленности.
Самым интересным является факт, что в настоящее время ведётся много экспериментов по использованию ферромагнитной жидкости для удаления и диагностики раковых опухолей. Ферромагнитная жидкость вводится в опухоль и подвергается воздействию быстро изменяющегося магнитного поля, и, в следствие чего, выделяющееся от трения тепло, может разрушить опухоль. Эксперименты с ферромагнитной жидкостью

Магнитореологическими жидкостями называют, обычно, жидкости, реологические свойства которых изменяются под действием магнитного поля. Речь идет о ферромагнитных суспензиях, сверхпарамагнитных или парамагнитных частиц в жидкости-носителе. Часто ее также называют масляной основой.

Сопротивление течению жидкости возрастает, если приложить к ней магнитное поле. Происходит это потому, что диспергированные намагничивающиеся частицы, к примеру железный порошок, вследствие их магнитного взаимодействия образуют цепочечные структуры параллельно линиям магнитного поля. Во время обработки или деформации, структуры магнитореологических жидкостей частично разрушаются, но вскоре образуются вновь. Чтобы придать магниторелогической жидкости текучесть, необходимо создать минимальное напряжение сдвига.

Магнитореологические жидкости широко распространены в промышленной сфере. Например, дифференциал с магнитореологическим тормозом позволил отказаться от использования большого количества гидроцилиндров, упростил конструкцию, и повысил скорость работы манипулятора. Робот, разработанный японскими инженерами, создан для подачи деталей и заготовок в обрабатывающих центрах. Магнитореологический тормоз выполняет функцию контролирующего органа. При повреждении или аварийной ситуации, магнитореологический тормоз блокирует работу робота. Данные тормоза могут эффективно заменять или дополнять стандартные решения.

Гипертермия:

Магнитная гипертермия (МГТ) является представителем класса методик, известных под общим названием «лечебная или медицинская гипертермия». Термин «гипертермия» означает повышение температуры тела, когда оно получает или вырабатывает больше тепла, чем отдает.

Принцип МГТ основан на хорошо установленном факте, что раковые опухоли являются более податливыми к воздействию тепла, чем здоровые ткани организма. В частности, известно, что нагрев до температур 42-45 °С повышает чувствительность пораженных клеток к применению химиотерапии или радиотерапии. При этом дозы лекарств или облучения можно значительно уменьшить (вдвое, а то и втрое по сравнению с самостоятельным применением упомянутых методик). А это значительно уменьшает побочные эффекты! Кроме этого, путем нагрева до 46-50 °С можно полностью разрушить раковые клетки (в медицине этот процесс называют термоабляцией)

Гипертермическое воздействие на злокачественные новообразования осуществляется по следующей схеме: под действием электромагнитного поля частицы собираются в опухоли и, разогреваясь, воздействуют на раковые клетки. При помещении ферромагнитных веществ в переменное ферромагнитное поле на графике зависимости намагниченности от величины напряженности магнитного поля проявляется петля гистерезиса.

Вся произведённая в течение цикла работа  по перемагничиванию спинов превращается в тепло. Количество тепла, генерируемое единицей объёма, определяется частотой магнитного поля: где  - магнитная проницаемость вакуума,  - частота магнитного поля, - величина магнитного поля,  - намагниченность.

Таким образом, существует ряд основных требований к препаратам для локальной гипертермии:

Магнитные частицы должны иметь контролируемый размер, что связано с размерами тех биологических объектов, куда будут помещаться частицы. Магнитные частицы должны быть нетоксичными, биологически совместимыми и стабильными в биологических средах. Предпочтительно, чтобы температура Кюри вещества лежала в пределах 42єС-48єС, так как это решает проблему контроля температуры.

Почему именно магнитные наночастицы? Во-первых, их местонахождение можно эффективно контролировать магнитным полем, что позволяет сосредоточить и удерживать их в месте опухоли. Во-вторых, именно магнетизм этих наночастиц обусловливает их нагрев при определенных условиях. А именно, когда внешнее магнитное поле начинает быстро изменяться, оно индуцирует в наночастицах физические процессы, которые преобразуют энергию поля в тепло – то есть наночастицы нагреваются.

МГТ имеет три важных этапа: первый – введение магнитной жидкости и ее сосредоточение в области опухоли; второй – разогрев наночастиц в приложенном переменном магнитном поле; третий – применение химиотерапии или радиотерапии при достижении и поддержании температуры 42-45 С, дальнейшее нагревание тканей до температур разрушения раковых клеток, 46-50 °С (термоабляция). Таким образом, магнитные наночастицы играют роль индукторов тепла, которые локально нагревают окружающую их среду (опухоль) до необходимой температуры для обеспечения необходимого терапевтического эффекта.

Режим разогрева магнитных наночастиц на втором этапе имеет важное значение и зависит от параметров как самих наночастиц, так и приложенного переменного магнитного поля. Параметрами переменного магнитного поля, которые следует тщательно подбирать, является амплитуда (максимальная величина поля) и частота (скорость изменения поля). От указанных параметров зависит скорость нагрева, а значит и время достижения требуемой температуры t. При этом критическое значение имеет точный контроль соотношения между температурой нагрева опухоли Т и временем t. Почему соотношение «T–t» настолько важно? Ответ на это вопрос вытекает из медицинских ограничений на температуры, до которых можно нагревать ткани нашего организма. Оказывается, когда T превышает 50 °С или время воздействия переменным полем больше, чем определенное критическое значение – так, раковые клетки погибнут, однако здоровые клетки организма также потерпят поражение. С другой стороны, если T ниже 42 °С или время воздействия достаточно мал – не будут достигнуты условия для эффективного терапевтического воздействия. Более того, в последнем случае присутствует завуалированная опасность – нагрев раковых клеток до 39 °С наоборот стимулирует их быстрое размножение. Другая важная проблема МГТ – это достижение равномерного нагрева раковой опухоли напрямую зависит от того, насколько однородно распределены наночастицы в ней. В случае неоднородного распределения опухоль будет нагреваться в одних областях больше, а в других – меньше, и тогда в течение одного и того же времени t есть существенная опасность перегрева или недогрева ее отдельных частей.

Корректный контроль соотношения «T–t» и достижение однородного распределения наночастиц в области опухоли обеспечивают эффективность МГТ и, что чрезвычайно важно, его безопасность для живых организмов. Однако, существуют также другие важные характеристики, над оптимизацией которых и работают современные ученые в области химии, физики, биологии и медицины!

Практическая часть

Практический интерес к магнитным жидкостям можно разделить на применения, связанные с жидкостной динамикой и использование в медицине для локальной гипертермии или адресной доставкой препарата. Примером первого варианта применений является изменение вязкости жидкости под внешним полем, что используется, например, в настраиваемой по жесткости подвеске автомобилей. Во втором случае действие магнитного поля на частицы магнитного вещества позволяет либо перемещать их к нужному участку организма, либо разогревать до температуры гибели злокачественных клеток. Магнитные жидкости делят на водные и неводные. В связи с этим, частицы магнитной жидкости покрывают ПАВ, которые могут быть катионными или анионными. На этом этапе мы сосредоточимся на получении систем, содержащих магнитные частицы со структурой шкинели: Fe3O4 (неводная), CoFe2O4 (водная), MnFe2O4 (водная).

Получение ферромагнитных жидкостей

Способов получения ферромагнитной жидкости много. Все они основаны на размельчении железа, никеля, кобальта до сотых долей микрона с применением, сложного оборудования которого в школьной лаборатории нет. Поэтому в своей работе мы использовали более простой способ получения опубликованный и запатентованный отечественными учеными , , в 1993 году.

Получение магнитной жидкости на основе Fe3O4

Необходимое оборудование и материалы: хлорид (или

сульфат) железа (III), хлорид (или сульфат) железа (II),

раствор аммиака, гидроксид натрия (можно соду), олеиновая

кислота (подсолнечное масло), магнит, химический стакан (3

шт.), стеклянная или пластмассовая палочка, шпатель,

нагреватель, универсальный индикатор, весы.

Примечание: Чаще всего в качестве магнитного материала

используют магнетит (Fe3O4 ), а размер его частиц. как

правило, составляет от 2 до 30 нанометров. Для

предотвращения слипания и осаждения магнитных частиц

используются ПАВ, в зависимости от вида базовой жидкости,

образующей основу коллоидного раствора. Помимо воды,

наиболее популярными базовыми жидкостями являются

керосин и жидкие технические масла. Из-за частиц магнетита

магнитные жидкости обычно представляют собой

непрозрачные густые растворы чёрного цвета.

Описание действий:

1. Растворите в 50 мл дистиллированной воды 0,15 моль трехвалентной соли железа (хлорного или сернокислого) и 0,15 моль двухвалентной соли железа (хлористого или сернокислого). Полученный раствор отфильтруйте.

2. Налейте в стакан избыток раствора аммиака (под тягой) и тонкой струей добавляйте в него отфильтрованный раствор. Коричневато-  оранжевый раствор мгновенно превратится в суспензию чёрного цвета. Долейте немного дистиллированной воды и поставьте колбу с образовавшейся смесью на постоянный магнит на полчаса.

3. После того, как образовавшиеся частицы магнетита в виде «дождя» под действием сил магнитного поля выпадут на дно колбы, декантируйте раствор, удерживая осадок магнитом, и снова залейте в колбу дистиллированную воду. Перемешайте стеклянной или пластиковой палочкой и снова дайте отстояться на магните. Снова декантируйте. Нужно довести pH раствора примерно до 8. После того, как последний раствор слит, отфильтруйте суспензию.

4. Приготовьте олеиновую кислоту. Ею может служить подсолнечное масло или рыбий жир. Налейте 10 мл в стакан и переместите в него половину осадка и интенсивно перемешайте. Во второй стакан также налейте 10 мл олеиновой кислоты (масла или жира), добавьте 3 г NaOH и нагрейте до растворения. В полученный раствор добавьте вторую половину осадка.

5. Обе системы перемешивайте при нагревании в течение часа

6. Смеси чёрного цвета охладите до комнатной температуры.

7. Добавьте 40 мл воды и перемешайте получившуюся коллоидную систему. Поднесите магнит к стенке стакана. Жидкость потянется за ним.

8. Сравнивайте обе системы через промежутки в 2 дня в течение недели.

Получение магнитных жидкостей на основе CoFe2O4 и MnFe2O4

Необходимое оборудование и материалы: хлорид (или сульфат)

железа (III), хлорид (или сульфат) марганца (II), хлорид (или

сульфат) кобальта (II), раствор аммиака, гидроксид натрия

(можно соду), соляная кислота (азотная или серная), олеиновая

кислота, (подсолнечное масло), лимонная кислота, (если есть, то

полиакриловая кислота, тетраметиловый гидроксид аммония),

магнит, химический стакан (3 шт.), стеклянная или пластмассовая

палочка, шпатель, нагреватель, универсальный индикатор, весы.

Описание действий:

  Ферриты кобальта и марганца, также как

  Fe3O4 имеют структуру шпинели. Они также могут быть получены

в неводном растворителе, при этом максимальная концентрация

магнитных частиц оказывается выше. Мы рассмотрим получение

водных систем. Для синтеза используют соосаждение MnCl2 -

FeCl3 и CoCl2 - FeCl3 как и в первом случае в щелочной среде в

расчете на 0,15 моль конечного феррита. Синтез частиц

происходит только при повышенной температуре, близкой к 100оС. При

этом возрастает степень гидролиза хлоридов. Чтобы избежать

этого, к исходным растворам хлоридов нужно добавить немного

сильной кислоты (HCl, H2SO4 или HNO3 ). Вместо раствора

аммиака следует взять раствор NaOH и к кипящему добавлять

кипящие растворы хлоридов при интенсивном перемешивании.

Важно знать, что именно на этом этапе формируются частицы и разбавлять до

pH=8. Для получения растворимых в воде

частиц нужно добавить тетраметиловый гидроксид аммония

(TMAOH), для растворения в органических растворителях

можно использовать другие ПАВ: олеиновую кислоту

(добавлять после первой стадии), полиакриловую кислоту,

лимонную кислоту.

Далее нужно проводить серию циклов растворения-

декантации до образования системы с pH=8. Частицы в такой

системе окружены отрицательнозаряженными

гидроксогруппами. Следует проводить их раскисление

небольшим количеством азотной кислоты, после чего раствор

нужно оставить на сутки. Опытным путем показано, что при

этом увеличится агрегативная устойчивость частиц. Еще одно

наблюдение состоит в положительном влиянии FeCl3 на

агрегацию частиц, для чего нужно к системе добавить 25 мл

0,01М раствора этой соли и при нагревании перемешивать в

течение часа. Затем следует растворы декантировать и

разбавлять до pH=8. Для получения растворимых в воде

частиц нужно добавить тетраметиловый гидроксид аммония

(TMAOH), для растворения в органических растворителях

можно использовать другие ПАВ: олеиновую кислоту

(добавлять после первой стадии), полиакриловую кислоту,

лимонную кислоту.

Заключение

В результате исследования мы познакомились с ферромагнитной жидкостью, изучили ее свойства и значения, подтвердили гипотезу, что имея простые реактивы, можно получить ферромагнитную жидкость с хорошими магнитными свойствами в школьной лаборатории и изучить её свойства. Мы доказали, что ферромагнитная жидкость имеет широкое применение практически во всех науках. Мы уверены, что эта жидкость способна улучшить и спасти жизнь многих людей!

Список используемой литературы

имия твердого тела. Часть 2. М.: Мир. 1988. 336 с. , , Коллоидная химия. М.: Высшая школа. 2004. 447с Дипломная работа. МГУ им. . 2016. 51 с. Chekanova A. E., Sorkina T. A., Dubov A. L., et. all. m. 2009. V. 12. P. 72-74. Tourinho F. A., Franck R., Massart R. J. of Mat. Sci. 1990. V. 25. P. 3249-3254. Mefford O. T., Vadala M. L., Goff J. D., et. all. Lengmiur. 2008. V. 24. P. 5060-5069. Samanta B., Yan H., Fischer N., et. all. J. of Mat. Chem. 2008. V. 18. https://studopedia. ru/11_69969_istoriya-otkritiya-ferromagnitnoy-zhidkosti. html https:///world/technology/9279-magnitnaya-gipertermiya-innovatsionnyj-sposob-borby-s-rakom https://www. nkj. ru/archive/articles/4971/ http://bankpatentov. ru/node/515148 https://wiki2.org/ru/%D0%A4%D0%B5%D1%80%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B6%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C