Из наночастиц сделали жидкие капли постоянного магнита

Физики придумали как скомбинировать свойства твердых постоянных магнитов (ферромагнетиков) и взвеси магнитных частиц в жидкости, которая в целом является парамагнитной. Для этого ученые разместили ферромагнитные наночастицы на поверхности капелек воды, окруженных маслом. В таком случае можно придать каплям несимметричную форму, определяющую ее намагниченность, которая не будет пропадать при снятии внешнего магнитного поля, то есть вещество будет вести себя как жидкий ферромагнетик, пишут авторы в журнале Science.

Обычные постоянные магниты (например, железные) относятся к ферромагнитным материалам. В присутствии внешнего магнитного поля спины электронов в таких веществах могут упорядочиваться, при этом интенсивное взаимодействие между спинами обеспечивает сохранность сложившейся конфигурации и после выключения внешнего поля. Соответствующая физическая величина называется намагниченность, и она остается постоянной, если не нагревать тело выше точки Кюри — характерной для материала температуры, при которой тепловые возмущения станут сильнее взаимодействия спинов и дезорганизуют их.

Существует также другой тип магнитных веществ — парамагнетики. Эти материалы намагничиваются во внешнем поле, но не способны сохранять это состояние в его отсутствии. К этому классу относится большинство чистых элементов, также некоторые сложные вещества и смеси. В частности, подобное поведение характерно для ферромагнитных жидкостей, то есть взвеси микроскопических частиц с постоянной намагниченностью, так как такое вещество не сохраняет намагниченность.

Получается, что сохранять намагниченность могут только твердые тела, а менять форму можно только с ее потерей. Существует способ удерживать намагниченность в ферромагнитной жидкости путем уменьшения температуры или увеличения вязкости, но он не позволяет добиться истинного постоянства. Это ограничивает потенциал магнитных жидкостей, которые нашли применение, например, в виде магнитных пробок, но такие случаи являются лишь отдельными примерами.

В работе ученых из США и Китая под руководством Томаса Рассела (Thomas Russell) из Пекинского университета химических технологий предлагается новый подход, позволяющий создать настоящий жидкий постоянный магнит. Идея заключается в ограничении свободы движения наночастиц. Для этого авторы растворяют магнитные наночастицы в воде, формируют из смеси капли и впрыскивают в несмешивающееся с водой масло — оно содержит поверхностно-активное вещество, которое заставляет частицы скапливаться на поверхности капли.

Полученная таким образом эмульсия обладает свойствами настоящего магнита: если капли подвергнуть действию внешнего магнитного поля, то их форма меняется со сферически-симметричной на вытянутую, причем выключение поля не приводит к восстановлению формы, которая и определяет намагниченность. Авторы подвергают полученное вещество циклическому перемагничиванию — стандартному методу исследования магнитных материалов. В результате оказывается, что эмульсия ведет себя подобно мягкому ферромагнетику, то есть обладает слабой остаточной намагниченностью и узкой петлей гистерезиса.

Данный подход позволяет получить вещество, обладающее всеми свойствами жидкости, но при это ферромагнитное, как и твердые тела. Потенциально у данной разработки может быть масса применений. Одним из направлений может быть робототехника, в которой исследование жидких компонентов является актуальной темой. Преимуществом магнитных жидкостей является то, что их можно привести в движении одним лишь магнитным полем, что намного удобнее механических связей. С фундаментальной точки зрения открытие позволяет создавать принципиально новые материалы, такие как ферромагнитные губки и эластичные полимеры с постоянной намагниченностью.

Ранее физики нашли у трехслойного ферромагнетика переходное состояние магнитосопротивления, научились включать и выключать ферромагнетизм лазером и подобрали антиферромагнетикам применение в спинтронике.

Тимур Кешелава