فِروسیال یا فِروفلوئید(ترکیبی از دو واژهٔ فرومغناطیس و فِلوئید به معنای شاره یا سیال) یا فرومغناطیس سیال، شاره‌ای است که در حضور یک میدان مغناطیسی به شدت مغناطیده می‌شود. فروسیال مخلوطی کلوئیدی، متشکل از ذرات فرومغناطیسی در ابعاد نانو یا ذرات فرومغناطیسی معلق در یک مایع حامل (معمولاً یک حلال آلی یا آب) است. هر ذره کوچک کاملاً پوشیده از سورفاکتانت است تا مانع لخته شدن شود. زمانی که این مایع در میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرد، ذرات فرومغناطیسی لخته‌های بزرگی را تشکیل می‌دهند و به این صورت می‌توان ذرات فرومغناطیسی بزرگ را از مخلوط کلوئیدی همگن جدا کرد. جاذبه مغناطیسی بین نانوذرات به اندازه‌ای ضعیف است که نیروی واندروالسی سورفاکتانت برای جلوگیری از توده‌ای شدن یا لخته شدن کفایت می‌کند.

فروفلوئید یا فروسیال بر روی شیشه در حالی که یک آهنربا در زیر شیشه قرار گرفته و باعث کنترل گران‌روی گردیده است
تصویر ماکرو از فروفلوئید در یک میدان مغناطیسی. سطح، به شکل منظمی از قله‌ها و دره‌ها درآمده است. این پدیده به ناپایداری میدان عمودی معروف است

فروسیال معمولاً[۱] تازمانی که در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار نگرفته‌است، خاصیت مغناطیسی خود را حفظ نمی‌کند و به همین دلیل در هنگام طبقه‌بندی، به جای گروه فِرومغناطیس‌ها در گروه ابرپارامغناطیسها ( Superparamagnet) قرار می‌گیرد.

تفاوت بین فروسیال‌ها و مایعات مغناطیسی یا همان مایع‌های MR اندازه ذرات آن‌هاست. ذرات موجود در فروسیال‌ها عمدتاً ذراتِ نانو هستند که با حرکت بروانی در مایع معلق می‌باشند و به‌طور کلی در شرایط معمولی ته‌نشین نمی‌شوند. در حالی که ذرات تشکیل دهندهٔ مایعات مغناطیسی عمدتاً در مقیاس میکرومتر هستند که برای معلق ماندن با حرکت براونی بسیار سنگینند، و به مرور زمان به دلیل تفاوت چگالی ذاتی بین ذرات تشکیل دهنده و سیال حامل، ته‌نشین می‌شوند. از این رو ماده‌های فروسیال و مایعات مغناطیسی کاربردهای متفاوتی دارند.

تاریخچهویرایش

فرایندی برای ساخت یک فروسیال در سال 1963 توسط استیوپاپل از ناسا(NASA)ابداع شد تا سوخت موشکی مایعی ایجاد کند که با استفاده از یک میدان مغناطیسی بتواند در نهایت به یک پمپ سوخت در محیط بی وزن منجر شود.نام فروسیال معرفی شد،فرایند بهبود یافت،مایعاتی با ویژگی مغناطیسی زیاد سنتز شدند،مایعات حامل افزوده کشف شد،شیمی فیزیک توسط R.E.Rosensweig و همکارانش روشن شد و همچنین روزنسویگ شاخه جدیدی از مکانیک سیالات را با نام فروهیدرددینامیک توسعه بخشید که تحقیقات نظری بیشتری را درباره پدیده های فیزیکی در فروسیالات ایجاد کرد.[۲][۳][۴][۵]

ویژگی‌هاویرایش

فروسیالات از ذرات بسیار ریزی در مقیاس نانو(معمولا قطرشان 10 نانومتر یا کمتر است)از مگنتیت،هماتیت یا برخی از دیگر ترکیبات آهن و یک مایع تشکیل شده است.این اندازه برای تحریک حرارتی تا حد کافی کوچک است تا بتواند آن هارا یکسان درون مایع حامل پراکنده کند.این شبیه روشی است که یون های موجود در محلول نمک پارامغناطیس آبی (همانند محلول آبی سولفات مس(||)یا کلرید منگنز(||))محلول را از نوع مغناطیسی می سازد. ترکیب یک فروسیال معمولی از نظر حجم،حدود%5 جامدات مغناطیسی،%10 سورفاکتانت و%85 حامل می باشد.[۶]

ذرات موجود در فروسیالات در یک مایع پراکنده می شوند(اغلب از سورفاکتانت استفاده می شود)و بنابر این فروسیالات سوسپانسیون کلوئیدی هستند(موادی با خواص بیش از یک حالت ماده). در این حالت،دو حالت ماده،فلز جامد و مایع موجود در آن است.این توانایی تغییر فازها با استفاده از یک میدان مغناطیسی سبب می شود تا فروسیالات به عنوان مهر و موم و روان کننده استفاده شوند.

فروسیالات حقیقی پایدار هستندو این بدان معنا است که ذرات جامد حتی در میدان های مغناطیسی بسیار قوی تشکیل توده یا فاز جداگانه نمی دهند.اگرچه،سورفاکتانت ها با گذشت زمان درهم شکسته می شوند و در نهایت ذرات نانو تجمع می یابند و از هم جدا خواهند شد.

فروسیالات در دمایی به اندازه کافی بالا،معروف به دمای کوری،خواص مغناطیسی خود را از دست می دهند.

ناپایداری در میدان عمودیویرایش

وقتی این شاره در یک میدان مغناطیسی عمودی قوی (با مقادیر خاصی) قرار می‌گیرد، سطح آن به شکل الگوی منظمی از قله‌ها و دره‌ها در می‌آید. این پدیده به ناپایداری میدان عمودی ((به انگلیسی: Normal-field instabilit)) یا روزنسویگ معروف است. این ناپایداری توسط میدان مغناطیسی حفظ می‌شود و می‌توان نشان داد که در این حالت قرارگیری سطح مایع، انرژی کل آن کمینه است.[۷]


هنگام قرارگیری در این حالت و ایجاد دره ها و قله ها و کاهش انرژی مغناطیسی، برای بالارفتن بخش هایی از مایع از دره ها و هم چنین افزایش سطح سیال،انرژی ناشی از کشش سطحی و نیز انرژی پتانسیل گرانشی سامانه افزایش می‌یابد، اما به ازای یک شدت بحرانیِ میدان مغناطیسی اعمال شده، کاهش انرژی مغناطیسی بر افزایش انرژی‌های گرانشی و کشش سطحی غلبه می‌کند و انرژی کل سامانه کمینه و مطلوب می‌گردد.[۸]

فروسیالات حساسیت مغناطیسی فوق العاده بالایی دارند و میدان مغناطیسی بحرانی برای شروع شکل گیری موجی توسط یک آهن ربای میله ای کوچک هم محقق می شود.

سورفاکتانت های رایج در فروسیالاتویرایش

سورفاکتانت های صابونی مورد استفاده برای پوشاندن نانوذرات(محدود به موارد زیر نیست):

این سورفاکتانت ها از تجمع نانوذرات جلوگیری می کنند و بنا بر این ذرات نمی توانند به شکل توده ای مغناطیسی در نزدیکی آهن ربا در آیند.ذرات موجود در یک فروسیال ایده آل،هرگز در معرض یک میدان مغناطیسی قوی نشست نخواهند کرد. یک سورفاکتانت دارای سر و دم به ترتیب قظبی و غیر قظبی(یا برعکس)است که یکی از آن ها به نانو ذره جذب می شود و بخش دیگر به ماده واسطه حامل ذرات متصل می شودو یک میسل معکوس یا منظم شکل می دهد. و بدین ترتیب در اطراف ذره،دافعه الکترواستاتیک مانع تجمع ذرات می شود. اگرچه سورفاکتانت ها در جلوگیری از نشست ذرات در فروسیالات سودمند هستند ولی از خواص مغناطیسی سیال(به ویژه اشباع مغناطیسی) جلوگیری می کنند.افزودن سورفاکتانت ها ( هر ذره خارجی دیگر) موجب کاهش تراکم فشرده سازی فروذرات در حالت فعال شده می شود، بنابراین ویسکوزیته سیال را کاهش می دهد و یک مایع فعال "نرم تر" نتیجه می دهد.اگرچه ویسکوزیته("سختی" سیال فعال) در برخی از کاربردهای فروسیال نگران کننده نیست این یک ویژگی اصلی فروسیال در کاربردهای تجاری و صنعتی آن است و بنا بر این باید هنگام بررسی ویسکوزیته در برابر سرعت ته نشینی،سازش و توازنی ایجاد شود.

کاربردهاویرایش

ابزار های الکترونیکیویرایش

از فروسیالات در تشکیل مهر و موم های مایع در اطراف شفت(محور) های محرک چرخشی در دیسک های سخت استفاده می شود.شفت چرخان توسط آهن رباها احاطه شده است.مقدار کمی از فروسیال در شکاف بین آهن ربا و شفت قرار می گیرد و با جاذبه آهن ربا در جای خود ثابت می شود.سیال سدی شکل می دهد که از ورود گرد و... به داخل دیسک جلوگیری می کند.

مهندسی مکانیکویرایش

فروسیالات دارای قابلیت کاهش اصطکاک هستند. اگر روی سطح یک آهن ربای به اندازه کافی قوی به کار برده شود، می تواند باعث سر خوردن آهن ربا در سطوح صاف با کمترین مقاومت شود. از فروسیالات می توان در میراگر های نیمه فعال در کاربردهای مکانیکی و هوافضا استفاده کرد.در حالی که میراگرهای غیرفعال معمولا حجیم تر هستند و برای یک منبع ارتعاش خاص طراحی شده اندو میراگرهای فعال انرژی بیشتری مصرف می می کنند، میراگرهای مبتنی بر فروسیالات هر دو مسئله را حل می کند و در جامعه هلیکوپترها که با اینرسی بزرگ و ارتعاشات آیرو دینامیکی سر و کار دارد،محبوب می شود.

پژوهش های علم موادویرایش

با استفاده از تکنیک توسعه یافته توسط فرانسیس بیتر،می توان از فروسیالات برای تصویر برداری ساختار های حوزه مغناطیسی در سطح مواد فرومغناطیسی استفاده کرد.[۹]

بلند گوهاویرایش

از سال 1973،از فروسیالات دردر بلندگوها استفاده می شود تا گرما را از سیم پیچ صدا خارج کرده و حرکت مخروط را بدون مقاومت میرا کند.آن ها در شکاف هوای اطراف سیم پیچ صدا قرار دارند که توسط آهن ربای بلند گو نگه داشته می شوند.از آن جا که فروسیالات پارامغناطیسی هستند،از قانون کوری پیروی کرده و در دماهای بالاتر کمتر مغناطیسی می شوند.آهن ربای قوی ای که در نزدیکی سیم پیچ صدا قرار دارد(که گرما تولید می کند)فرومایعات سرد را بیشتر از فرومایعات گرم جذب می کند،درنتیجه فروسیال گرم شده را از سیم پیچ صدا دور می کند و به سمت یک چاه حرارتی(Heat sink) هدایت می کند.این یک روش خنک سازی نسبتا کارامد است که نیازی به ورودی انرژی اضافی ندارد.[۱۰]

باب برکویتس(Bob Berkowitz)در سال 1972 مطالعه فروسیال را آغاز کرد و از آن برای کاهش رزونانس توییتر(بلندگوی دارای صدای ناهنجار) استفاده کرد. دانا هاتاوی در سال 1974 در حالی که از فروسیالات برای میرایی توییتر استفاده می کرد متوجه مکانیسم خنک سازی آن شد. پاناسونیک در سال 1979 اولین تولید کننده آسیایی بود که از فروسیالات در بلندگوهای تجاری استفاده کرد. این موضوع در سال 1980 به سرعت رشد کرد. امروزه سالانه حدود 300 میلیون مبدل تولید کننده صدا با فروسیال کاربردی در ساخت آن تولید می شود.از جمله بلندگوهای نصب شده در لپ تاپ ها،تلفن های همراه، هدفون ها و ایر پادهاو .. . [۱۱]

جداسازی سلولیویرایش

فروسیالات کاربردهایی در زمینه سلول درمانی، ژن درمانی، ساخت سلول و ... دارند.


  • در پزشکی: در تشخیص بیماری‌هایی نظیر سرطان با استفاده از ام‌آرآی کاربرد دارد.
  • در ساخت سیل‌های مکانیکی با سیال‌های مغناطیسی و همچنین در ساخت کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر نیز کاربرد دارند.

جستارهای وابستهویرایش

نگارخانهویرایش

پیوند به بیرونویرایش

منابعویرایش

  1. T. Albrecht; C. Bührer; et al. (1997). "First observation of ferromagnetism and ferromagnetic domains in a liquid metal (abstract)". Applied Physics a Materials Science & Processing. Applied Physics A: Materials Science & Processing. ۶۵ (۲): ۲۱۵. Bibcode:1997ApPhA..65..215A. doi:10.1007/s003390050569. Unknown parameter |author-separator= ignored (help)
  2. Rosensweig, R.E. (1997), Ferrohydrodynamics, Dover Books on Physics, Courier Corporation, ISBN 9780486678344
  3. Shliomis, Mark I. (2001), "Ferrohydrodynamics: Testing a third magnetization equation", Physical Review, 64 (6): 060501, arXiv:cond-mat/0106415, doi:10.1103/PhysRevE.64.060501, PMID 11736163, S2CID 37161240
  4. Gollwitzer, Christian; Krekhova, Marina; Lattermann, Günter; Rehberg, Ingo; Richter, Reinhard (2009), "Surface instabilities and magnetic soft matter", Soft Matter, 5 (10): 2093, arXiv:0811.1526, doi:10.1039/b820090d, S2CID 17537054
  5. Singh, Chamkor; Das, Arup K.; Das, Prasanta K. (2016), "Flow restrictive and shear reducing effect of magnetization relaxation in ferrofluid cavity flow", Physics of Fluids, 28 (8): 087103, doi:10.1063/1.4960085
  6. Helmenstine, Anne Marie. "How to Make Liquid Magnets". ThoughtCo. Retrieved 2018-07-09.
  7. Andelman & Rosensweig, pp. 20–21.
  8. Andelman & Rosensweig p. 21
  9. Mee, C D (1950-08-01). "The Mechanism of Colloid Agglomeration in the Formation of Bitter Patterns". Proceedings of the Physical Society, Section A. 63 (8): 922. Bibcode:1950PPSA...63..922M. doi:10.1088/0370-1298/63/8/122. ISSN 0370-1298.
  10. Rlums, Elmars (1995). "New Applications of Heat and Mass Transfer Processes in Temperature Sensitive Magnetic Fluids" (PDF). Brazilian Journal of Physics. 25 (2).
  11. https://www.czferro.com/ferrofluid-history