Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей

1. Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей М.В.Авдеев Лаборатория нейтронной физики им. И.М.Франка Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия

2. Феррожидкости (магнитные жидкости) Магнитныеполидисперсные наночастицы, размер d= 2-30 нм (однодоменное состояние магнитный момент на частицу ~103-105B  суперпарамагнитное поведение) жидкий носитель оболочка ПАВ, толщина d= 1-2 нм Совмещение текучести и магнитных свойств R.E.Rosenzweig, 1966 Широкое использование в технических устройствах

3. Суперпарамагнитныенаночастицы Постоянное магнитное поле Переменное магнитное поле Намагничивание Ланжевена ~ 10 – 1000 kHz

4. Феррожидкости: технические приложения Сенсоры Акселерометры Индуктивные аэродинамические сенсоры Вакуумные подшипники Громкоговорители

5. Феррожидкости: медицинские приложения Основное направление – лечение рака Доставка лекарств Терапия Диагностика

6. Поляризационный анализ на феррожидкостях Анализ деполяризации прошедшего пучка Анализ поляризации при рассеянии Itoh S, Endoh Y, Pynn R JMMM73 L1 (1988) Rekveld M Th In (Eds. Dormann J L, Fiorani D.), Studies of Magnetic Properties of Fine Particles. Elsevier Science Publishers, 1992 Grigoriev S V, Eberbeck D, Runov V V Physica B 297 253 (2001) Zabenkin V N et al. Appl. Phys. A 74 S710 (2002) Balasoiu M, Aksenov V L J. Optoelectronics Adv. Mater.10 3322 (2008) Hayter J, Pynn R Phys. Rev. Lett. 49 1103 (1982) Pynn R, Hayter J, Charles S W Phy. Rev. Lett.51 710 (1983) Lebedev V T et al. PhysicaB 234-236 525 (1997) Lebedev V T et al. Magnetohydrodynamics38 271 (2002) Török Gy, Lebedev V T, Orlova D N Magnetohydrodynamics38 (3) 277 (2002) Gazeau F, Boue F, Dubois E, Perzynski R J. Phys.: Condens. Matter15 S1305 (2003)

7. Нанодиагностикаферрожидкостей Magnetic structure Atomic structure

8. Главные проблемы All levels contribute to scattering! Systems are strongly polydisperse! Задача: получить как можно больше экспериментальных зависимостей с сохранением структурных параметров системы

9. Мaлоугловое рассеяние нейтронов на феррожидкостях 1% MF magnetite/oleic acid/benzene ,1010 cm-2 magnetite 7.0 Н-solvent D-solvents 2.0 magnetic SLD D-solvent 1.0 surfactants 0.0 Н-solvents Магнитным рассеянием можно пренебречь(?) M.V.Avdeev, V.L.Aksenov,Physics Uspekhi. 53 (2010) 971

10. Вариация контраста H/D substitution 1% MF magnetite/benzene MA OA I(0) for MA, cm-1 I(0) for OA, cm-1 Oleic Acid stabilzation OA MA Rg2, nm2 Myristic Acid stabilization ()-110-10,cm2 FLNP JINR – GKSS – CFATR M.V.Avdeev, V.L.Aksenov,Physics Uspekhi. 53 (2010) 971

11. Комплексная структурная характеризация ФЖ XRD (KCSR) Magnetite: co-precipitation reaction Coatings: oleic acid (OA ), C18 -unsaturated lauric acid(LA), C12 myristic acid(MA), C14 palmiticacid (PA), C16 stearic acid(SA), C18 SAXS (KCSR) SANS (GKSS, BNC) Аксенов В. Л., Авдеев М. В. и др. Кристаллография 56 848 (2011)

12. Комплексная структурная характеризация ФЖ XRD (KCSR) Magnetite: co-precipitation reaction Coatings: oleic acid (OA ), C18 -unsaturated lauric acid(LA), C12 myristic acid(MA), C14 palmiticacid (PA), C16 stearic acid(SA), C18 SAXS (KCSR) SANS (GKSS, BNC) Аксенов В. Л., Авдеев М. В. и др. Кристаллография 56 848 (2011)

13. МУРН в намагниченных органических МЖ: использование поляризованных нейтронов (SANSPOL) Магнетит (m ~ 1 %), покрытый OКили MКкислотой в D-циклогексане I+,I-, H=0 I+, H=H I-, H=H OК MК GKSS Спин против поля Спин по полю Ядерный форм-фактор Магнитный форм-фактор Itoh S et al JMMM103 126 (1992) Wiedenmann A J Appl Cryst 33 428 (2000)

14. МУРН в намагниченных МЖ: разделение ядерного и магнитного рассеяния ОК МК прямая подгонка прямая подгонка приближения Гинье приближения Гинье GKSS Наличие сложных магнитных корреляций в разбавленных (m < 2 %) органических неполярных МЖ при слабой корреляции в положении частиц! M.V.Avdeev, M.Balasoiu, V.L.Aksenov, et al., J. Magn. Magn. Mater. (2004) М.В.Авдеев, УФН (2007)

15. R rs R1 r1 r Анализ ядерного рассеяния Модель «ядро-оболочка» Информация о ядерном размере! OA - R0 = 3.4 нм; S = 0.38;  = 1.38 нм (<R> = 3.7 нм;  = 1.4 нм) MA - R0 = 2.3 нм; S = 0.28;  = 1.35 нм (<R> = 2.4 нм;  = 0.7 нм) Слой ПАВ M.V.Avdeev, D.Bica, L.Vékás, O.Marinica, M.Balasoiu, V.L.Aksenov, L.Rosta, V.M.Garamus, A.Schreyer, J. Mag. Mag. Mater. 311 (2007) 6-9

16. Модуляция размера при смешанной стабилизации d-benzene + Fe3O4 + MA/OA , m= 1.1 % Nuclear scattering contribution. Solid lines are fits of the core-shell model. Resulting log-normal size-distribution functions.

17. Немагнитный поверхностный слой в магнитных наночастицах Удельная намагниченность наночастиц меньше, чем у объемного материала. Эффект принято объяснять образованием немагнитного поверхностного слоя. Однако прямое экспериментальное доказательство такого слоя отсутствует! Расчетные отклонения магнитных моментов от общей ориентации в ферритных наночастицах NiFe2O4 на поверхности. R. H. Kodama, et. al., Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 394 Усиление эффекта связывают с наличием шероховатостей на поверхности наночастиц, что, однако, для многих магнитных частиц противоречит данным электронной микроскопии и малоуглового рассеяния нейтронов. Альтернативное объяснение – уменьшение удельной намагниченности по всему объему наночастицы.

18. Анализ магнитного рассеяния Модель «невзаимодействующие сферы» d-бензол + Fe3O4 + OA, m > 1 % Rm rm V.Aksenov, M.Avdeev, et al. J. Appl. Phys.74 (2002)S93-S94 M.V.Avdeev, M.Balasoiu, V.L.Aksenov, et. al., J. Mag. Mag. Mater. 270 (2004) 371-379 В отсутствие заметных корреляций в положении частиц наблюдается сильная корреляция магнитных моментов! Данный эффект не дает возможности определить напрямую магнитный размер частиц. Для жидкостей с меньшим размером частиц эта корреляция меньше!

19. Обратное Фурье-преобразование.Функция распределения парных расстояний d-бензол + Fe3O4 + OA ядерные корреляции: оболочка ПАВ; магнетит ядерные корреляции: оболочка ПАВ; магнетит магнитные корреляции магнитные корреляции m ~ 3 % m ~ 7 % Структура магнитных корреляций имеет сложный вид, связанный, по-видимому, с полидисперсностью частиц. M.V.Avdeev, M.Balasoiu, V.L.Aksenov, et. al., J. Mag. Mag. Mater. 270 (2004) 371-379

20. Электростатически-стабилизированный наномаггемит Маггемит /цитрат-ионы/D2O, pH = 7, 0.01 M цитрат натрия H=2.5 T RgM~ 7.2 nm H+ Поляризация H+ H+ H+ H+ I+, H+ I− H+ H+ H+ H+ H+ H+ RgN ~ 10 nm SANS-1, GKSS N > M M.V.Avdeev, E.Dubois, R.Perzinsky, et al., J Appl Cryst (2009)

21. Диполярные структуры в ФЖ Chain formation under MF Magnetorheological effect magnetite/oil OA coating stronger initial attraction MA coating weaker initial attraction Magnetorheological effect is enhanced by attractive interaction (in absence of magnetic field) ! No magnetorheological effect in perfect stabilized (e.g. alcohol-based) MFs!

22. Диполярные структуры в МЖ SANSPOL Magnetite/OA+oleylamine/decalin m = 0.4 % <D> ~ 20 nm, (T = 100 K) Крио-ПЭМ Структурный фактор гексагональной упаковки H=0 V4, HMI H=0.2 T Klokkenburg M et al. Phys. Rev.E75 051408 (2007)

23. Heinemann A, Wiedenmann A J. Appl. Cryst. 36 845 (2003) Магнитная вариация контраста При H < H Co/oleoylsarkosin/toluene V4, HMI m = 1.0 % <D> ~ 6.4 nm, Дополнительные выражения для подгонки с повышением точности Анализ сигнала только от магнитных частиц

24. Нейтронография полидисперсных многокомпонентных коллоидных растворов Наличие однородной среды в отличие от твердых и мягких нанокомпозитов; промежуточное положение между монодисперсными и безчастичными системами Экономически обоснованы! Важна химия адсорбции; с практической точки зрения ограничения по C, T! Слабая «связь» с монодисперсными модельными системами!