Цепочечные агрегаты в полидисперсных магнитных жидкостях

1. Цепочечные агрегаты в полидисперсных магнитных жидкостях С.С. Канторович

2. Эксперимент Теория • Предмет исследования • Постановка задачи • Решение • Сравнение с экспериментом • Результаты • Выводы

3. Предмет иcследования Магнитные жидкости • Первые попытки синтеза: • Elmore W.C. Ferromagnetic colloid for studying magnetic structures. Phys. Rev. 1938 • Начало (в современном понимании): • Resler E.L., Rosensweig R. E. Magnetocaloric power, 1964 • Первые эксперименты: • Kaiser R., Miskolczy G. Magnetic properties of stable dispersions of subdomain magnetic particles. J. Appl. Phys, 1970 • Бибик Е.Е. и др. Магнитостатические свойства коллоидов магнитита. Магнитная гидродинамика, 1973 • Первые обзоры и монографии: • Шлиомис М.И. Магнитны жидкости. УФН, 1974 • Блум Э.Я., Майоров М.М., Цеберс А.О. Магнитныежидкости. Рига: Зинатне, 1989. • Розенцвейг Р. Феррогидродинамика. М.: Мир, 1989.

4. Предмет иcследования Магнитные жидкости

5. Предмет иcследования Цепочки! Эксперимент Yu.N. Skibin, V.V. Chekanov and Yu.L. Raikher, J. Exp. Theor. Phys. 45 (1977) 496; P.C. Scholten, IEEE Trans. Magn. 16 (1980) 221; S. Taketomi, Jpn. J. Appl. Phys. 1137 (1983) 22; E. Hasmonay et al., Eur. Phys. J. B 5 (1998) 859; M. Rasa, J. Magn. Magn. Mater. 201 (1999) 170; A.F. Pshenichnikov and V.M. Buzhmakov, Colloid. J. 63 (2001) 305; E. Hasmonay et al., J. Appl. Phys. 88 (2000) 6628; S. Odenbach and H. Gilly, J. Magn. Magn. Mater. 152 (1996) 123; S. Odenbach and H. Stork, J. Magn. Magn. Mater. 183 (1998) 188; S. Odenbach, Magnetoviscous Effects in Ferrofluids, Lecture Notes in Physics (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2002); S. Kamiyama and A. Satoh J. Coll. Int. Sci. 127 (1989) 173; R. Rosman, J.S.M. Janssen and M.Th. Rekveldt, J. Magn. Magn. Mater. 85 (1990) 97; H.D. Williams, K. O'Grady and S.W. Charles, J. Magn. Magn. Mater. 122 (1993) 134; V.M. Buzmakov and A.F. Pshenichnikov, J. Coll. Int. Sci. 182 (1996) 63; и так далее… Компьютерное моделирование M.E. van Leeuwen and B. Smit, Phys. Rev. Lett. 71 (1993) 3991; M.J. Stevens and G.S. Grest, Phys. Rev. E 51 (1995) 5962; A. Satoh et al., J. Colloid Interface Sci. 178 (1996) 620; G.N. Coverdale et al., J. Magn. Magn. Mater. 188 (1998) 41; Ph.J. Camp and G.N. Patey, Phys. Rev. E 62 (2000) 5403; A.F. Pshenichnikov and V.V. Mekhonoshin, J. Magn. Magn. Mater. 213 (2000) 357; Eur. Phys. J. E 6 (2001) 399; T. Kristòf and I. Szalai, Phys. Rev. E 68 (2003) 041109; T. Kruse, A. Spanoudaki and R. Pelster, Phys. Rev. B 68 (2003) 054208; Z. Wang, C. Holm and H.W. Müller, Phys. Rev. E 66 (2002) 021405; Z. Wang and C. Holm, Phys. Rev. E 68 (2003) 041401; и так далее… Теория P. Jordan, Mol. Phys. 25 (1973) 961; Mol. Phys. 38 (1979) 769; P.G. de Gennes and P. Pincus , Phys. Kondens. Mater. 11 (1970) 189; A.Yu. Zubarev and L.Yu. Iskakova, J. Exp. Theor. Phys. 80 (1995) 857; A.Yu. Zubarev, J. Exp. Theor. Phys. 93 (2001) 80; A.Yu. Zubarev, in Ferrofluids, Magnetically Controllable Fluids and Their Applications, Lecture Notes in Physics, ed. by S. Odenbach (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2002); A.O. Ivanov, Z. Wang and C. Holm, Phys. Rev. E 69 (2004) 031206;R.P. Sear, Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 2310; R. van Roij, Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 3348; M.A. Osipov, P.I.C. Teixeira and M.M. Telo da Gama, Phys. Rev. E 54 (1996) 2597; J.M. Tavares, J.J. Weis and M.M. Telo da Gama, Phys. Rev. E 59 (1999) 4388; K.I. Morozov and M.I. Shliomis, in Ferrofluids, Magnetically Controllable Fluids and Their Applications, Lecture Notes in Physics, ed. by S. Odenbach (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2002); и так далее…

6. Монодисперсная модель H H 0 ∞ Традиционный подход к определению микроструктуры феррожидкости Функционал свободной энергии Факторизация

7. Монодисперсная модель Традиционный подход к определению микроструктуры феррожидкости Функционал свободной энергии Решение

8. Бидисперсная модель 0.15 0.15 25 эксперимент теория Pshenichnikov A.F. et al, J. Magn. Magn. Mater. 161 (1996) 94 0 0 15 200 15 0 A.O. Ivanov, J. Magn. Magn. Mater. 66 (1996) 154

9. Бидисперсная модель. e22 e11 e12 ae11+be12+ce22 Ограничения 1.a+b+c=m+n-1 2. a≤m-1c≤n-1 3. mn,b≤2m nm,b≤2n m=n,b≤2m-1 (n≠0)&(m≠0), b>0 nm+1, a0 4. mn+1,c0 c=n-1,b≤2 5. a =m - 1,b≤2

10. Бидисперсная модель aie11+bie12+cie22 Топологический индекс Структурный вектор Энергетический вектор Комбинаторный множитель K(i,n,m) Концентрация g(i,n,m)

11. Бидисперсная модель Функционал свободной энергии Решение

12. Основные классы

13. Бидисперсная модель Основные топологические классы Отношение вероятностей появления основных классов

14. Бидисперсная модель e22 9 7 5 3 1 e12 0 0.6 0.2 1 Фазовая диаграмма

15. Бидисперсная модель Эффект отравления Характерные зависимости среднего числа крупных частиц <n> вцепочках от объемной концентрации мелкодисперсной фракции 1. Кривая 1 - 2=0.1, кривая 2- 2=0.05.

16. Бидисперсная модель Эффект отравления Компьютерное моделирование Теория Z. Wang and Ch. Holm, Phys. Rev. E, 68,041401 (2003)

17. Бидисперсная модель Средние характеристики Средняя длина цепочечных агрегатов первых трех классов <N> от молярной доли крупнодисперсной фракции 2

18. Бидисперсная модель Средние характеристики Зависимости процентных долей неагрегированных частиц обеих фракций 1, 2от концентрации по магнитной фазе m

19. Бидисперсная модель N0 N Средние характеристики 1 0.8 0.6 0.4 T, K 292 272 282 302 312 Относительная зависимость среднего числа частиц в цепочке от температуры для моно- и бидисперсной моделей (N0 –средняя длина цепочки приT=273 K) (кривая 1 и 2 соответственно).

20. Бидисперсная модель Magnetic Fluid Микроструктура феррожидкостей

21. Сравнение с экспериментом Магнитовязкий эффект H F1, F2 Odenbach S. Magnetoviscous Effects in Ferrofluids, Lecture Notes in Physics (2002). • Концентрация по магнитной фазе 0.072 • Намагниченности насыщения 31.5 кА/м, 32.1 кА/м. • Средние значения диаметра магнитного ядра 9.2 нм, 10.1 нм • Намагниченность насыщения материала 450 кА/м

22. Сравнение с экспериментом x2=? нм n x1=10 нм эксперимент 10 теория отношение полуосей - n Покровский В.Н. 1978 г. 10 0 Магнитовязкий эффект

23. Сравнение с экспериментом 3 отношения полуосей Общая теория n n n Магнитовязкий эффект

24. Сравнение с экспериментом S(H), % Эксперимент 30 Теория 20 10 0 Н, кА/м 10 15 5 0 Магнитовязкий эффект

25. Сравнение с экспериментом Несферичность частиц Наличие агрегатов Распределение частиц по размерам Различные эллипсоиды А.В. Петрикевич, Ю.Л. Райхер М. Раша Магнитное двулучепреломление С. Такетоми Наличие агрегатов Бесконечно вытянутые эллипсоиды

26. Сравнение с экспериментом 3 отношения полуосей модель М.Раша n n n Магнитное двулучепреломление

27. Сравнение с экспериментом Магнитное двулучепреломление в слабых полях i – магнитный момент цепочки структуры i (i),(e)– диэлектрические проницаемости цепочки и несущей жидкости n||, – размагничивающие факторы||и  главной оси эллипсоидов.

28. Сравнение с экспериментом Магнитное двулучепреломление в слабых полях Эксперимент Теория Зависимость магнитного двулучепреломления от внешнего поля H, ∆ns– предельная разность показателей преломления. E. Hasmonay et al. Eur. Phys. J. 5 859(1998).

29. Магнитные свойства Постоянноемагнитное полеH0совпадет по направлению с Z. Переменное полеh=h0cos(t) H0. КолебанияH =H0+h, значит иM,приводят к появлениюЭДС в катушке.

30. Магнитные свойства E, мВ Эксперимент 250 200 150 100 50 0 0 2 4 8 H, кА/м 6

31. Магнитные свойства 25 эксперимент xs 0.15 теория 0 200 xl 0 xc 0 25

32. Магнитные свойства

33. Магнитные свойства E, мВ Эксперимент 250 200 150 100 50 0 0 2 4 8 H, кА/м 6

34. Результаты и выводы Построен функционал плотности свободной энергии модельного бидисперсного ферроколоида в случаях отсутствия внешнего магнитного поля и бесконечно интенсивного магнитного поля

35. Результаты и выводы Разработанный алгоритм перебора цепочечных агрегатов не только позволил учесть вклады всех энергетически и энтропийно различимых цепочечных структур в свободную энергию бидисперсной системы, но и сделал впервые возможным выписать функционал плотности свободной энергии для системы, состоящей из произвольного числа фракций

36. Результаты и выводы В реальных феррожидкостях большая часть частиц крупнодисперсной фракции связана в цепочечные агрегаты друг с другом и с мелкими частицами, располагающимися в основном по краям цепочек. Подавляющее количество мелких частиц находится в одиночном, неагрегированном состоянии

37. Результаты и выводы Присутствие мелких частиц приводит к уменьшению средней длины цепочек из крупных частиц. Данный эффект, названный эффектом отравления, нашел экспериментальное подтверждение при компьютерном моделировании бидисперсной системы. Сравнение теоретически предсказанного относительного сокращения средней длины цепочечного агрегаты при увеличении концентрации мелкодисперсной фракции дает прекрасное согласие с результатами компьютерного эксперимента

38. Результаты и выводы Построенные фазовые диаграммы позволяют предполагать, что параметры реальных феррожидкостей соответствуют такому состоянию системы, что основным типом агрегатов являются короткие цепочки из одной-двух крупных частиц в центре и одной-двух мелких частиц по краям. Наличие мелких частиц внутри цепочек из крупных (для параметров модельных ферроколлоидов, описывающих реальные магнитные жидкости) оказывается маловероятным.

39. Результаты и выводы Магнитное поле стимулирует формирование цепочек из феррочастиц. Сравнение ситуаций отсутствия поля и бесконечно сильного поля для реальных феррожидкостей показывает, что средняя длина цепочек увеличивается на 30-40 %. Однако принципиального изменения структуры цепочечных агрегатов не наблюдается.

40. Результаты и выводы Исследована температурная зависимость среднего числа частиц в цепочке. Как и ожидалось, при увеличении температуры, средняя длина агрегата стремится к единице, однако, в бидисперсном случае, скорость стремления ниже, чем при монодисперсном подходе, что объясняется ослаблением эффекта отравления.

41. Результаты и выводы Анализ средней длины с увеличением общей концентрации магнитной фазы (при сохранении молярных долей крупной и мелкой фракцийсвидетельствует о том, что в области реальных параметров резкого возрастания средней длины, предсказываемой монодисперсным подходом, не наблюдается, что количественно согласуется с описанием фазового расслоения .

42. Результаты и выводы Разработанный подход к описанию микроструктуры полидисперсных ферроколлоидовбыл применен к описанию трех эффектов, являющихся явным следствием сложной внутренней структуры магнитных жидкостей – магнитовязкий эффект, магнитное двулучепреломление и немонотонное изменение сигнала ЭДС в эксперименте в скрещенных полях. Впервые в рамках этого подхода удалось предсказать с достаточной точностью немонотонность сигнала ЭДС в катушке (эксперимент в скрещенных магнитных полях). Это означает, что магнитные свойства феррожидкостей весьма чувствительны не только к агрегатообразованию, но и к линейным размерам и концентрации этих образований. Из полученного согласия с экспериментом можно сделать вывод, что высота пика сигнала ЭДС и его положение определяется именно этими параметрами. Обнадеживающее согласие, которго удалось достигнуть при описании магнитного двулучепреломления в магнитных жидкостях говорит о том, что в слабых полях основной вклад в оптическую анизотропию вносит поворот агрегатов на поле, а не их удлинение. Получение подобных результатов в рамках монодисперсного подхода невозможно.

43. Результаты и выводы Построенная концепция микроструктуры реальных ферроколлоидов оказалась применимой к описанию натурных экспериментов, что позволяет надеяться на адекватность разработанной модели цепочечных агрегатов в магнитных жидкостях. Более того, при описании этих трех эффектов в рамках бидисперсной модели удалось установить непосредственную связь между реологические и оптическими свойствами ферроколлоидов и их магнитными свойствами