thumb|upright=1.3|Ferrofluid on glass, with a neodymium magnet underneath Ферофлуид је тамна течност која се привлачи ка половима магнета. То је колоидна течност сачињена од нано-честица феромагнетних или феримагнетних материјала, суспендованих у носећој течности, обично органском растварачу или води. Свака магнетна честица је темељно обложена површински активним материјалом (сурфактантом) како би се спречило њихово скупљање, а велике феромагнетне честице могу бити издвојене из хомогене колоидне смеше и формирати посебну грудву магнетног праха када се изложе јаком магнетном пољу. Магнетна привлачност врло ситних наночестица је довољно слаба да сила Ван Дер Валса коју пружа сурфактант спречава магнетно скупљање или агломерацију. Ферофлуиди обично не задржавају магнетизацију када спољно магнетно поље није присутно, па се често класификују као „суперпарамагнети“ уместо феромагнета. Недавни прегледни чланак под називом „Магнетне нанотечности (ферофлуиди): недавни напредак, примене, изазови и будући правци“ пружа педагошки опис магнетних течности, укључујући неопходну позадину, кључне концепте, физику, експерименталне протоколе, дизајн експеримената, као и изазове и могуће правце будућих истраживања.
За разлику од ферофлуида, магнеторологичке течности (MР течности) су магнетне течности које садрже веће честице. То јест, ферофлуид углавном садржи наночестице, док MР течност углавном садржи честице микрометарског размера. Честице у ферофлуиду суспендоване су због Брауновог кретања и обично се не таложе у нормалним условима, док су честице у MР течности превише тешке да би их Брауново кретање одржавало у суспензији. Због тога се честице у MР течности током времена таложе услед природне разлике у густини између честица и носеће течности. Као резултат тога, ферофлуиди и MР течности имају веома различите примене.
Процес за производњу ферофлуида изумео је 1963. године Стив Папел из NASA-е како би се створило течно ракетно гориво које се у условима без тежине може усмерити ка пумпи за гориво применом магнетног поља. Назив ферофлуид је уведен, процес је усавршен, синтетисане су течности са јачим магнетним својствима, откривене су додатне носеће течности, а физичка хемија ових материјала је разјашњена захваљујући раду Р. Е. Розенсвига и његових колега. Поред тога, Розенсвиг је развио нову грану механике течности названу ферохидродинамика, што је покренуло даље теоријско истраживање занимљивих физичких појава у ферофлуидима. Године 2019. истраживачи Универзитета Масачусетс и Пекиншког универзитета хемијске технологије успели су да створе трајно магнетни ферофлуид који задржава своја магнетна својства чак и када се спољно магнетно поље уклони. Истраживачи су такође утврдили да се магнетна својства капљице очувају чак и ако се њен облик физички промени или ако се капљица подели.
Опис Ферофлуида мини|Стив Папел је изумео феро-флуид за НАСА у години 1963. Ферофлуиди се састоје од веома малих нано-честица (пречника обично 10 нанометара или мање) магнетита, хематина или неког другог једињења које садржи гвожђе, и течности (обично уља). Величина ових честица је довољно мала да термичка агитација омогући њихову равномерну дисперзију у носећој течности и да оне допринесу укупном магнетном одговору течности. Ово је слично начину на који јони у воденом раствору парамагнетне соли (као што је водени раствор сулфата бакра(II) или хлорида мангана(II)) чине раствор парамагнетним. Састав типичног ферофлуида је отприлике 5% магнетних чврстих материја, 10% сурфактанта и 85% носеће течности по запремини. Различити приступи синтези магнетних наночестица, механизми формирања наночестица и њихова функционализација различитим заштитним агенсима, као и друге технике, детаљно су размотрени у недавно објављеном прегледном чланку.
Честице у ферофлуидима су распршене у течности, често уз употребу сурфактанта, због чега се ферофлуиди сматрају колоидним суспензијама – материјалима који поседују особине више од једног стања материје. У овом случају, два стања материје су чврсти метал и течност у којој је суспендован. Ова способност да мењају фазе под утицајем магнетног поља омогућава њихову примену као заптивача, мазива, а у будућности може отворити и нове примене у наноелектромеханичким системима.
Прави ферофлуиди су стабилни. То значи да се чврсте честице не агломеришу не раздвајају фазе чак и у изузетно јаким магнетним пољима. Међутим, сурфактант временом (за неколико година) има тенденцију да се распадне, а наночестице ће се на крају агломерисати, раздвојити и више неће доприносити магнетном одговору течности.
Магнеторехеологичне течности (MР течности) садрже веће, микрометарске магнетне честице, које су један до три реда величине веће од честица у ферофлуидима. MР течности се у присуству магнетног поља стврдњавају, а честице у њима су превише велике да би их Брауново кретање одржавало у суспензији, па се временом таложе. Због тога MR течности и ферофлуиди имају веома различите примене.
Међутим, ферофлуиди губе своја магнетна својства на довољно високим температурама, које се називају Кјуријева температура.
Нестабилност нормалног поља Када се парамагнетна течност изложи јаком вертикалном магнетном пољу, површина течности формира уредан узорак врхова и удубљења. Ова појава је позната као Розенсвајгова или нестабилност нормалног поља. Нестабилност је покренута магнетним пољем, а може се објаснити разматрањем облика течности који минимизује укупну енергију система.Generated from: Sfn
Са становишта магнетне енергије, врхови и удубљења су енергетски повољни. У таласастој конфигурацији магнетно поље се концентрише у врховима; пошто се течност лакше магнетише од ваздуха, то смањује магнетну енергију. Као последица, врхови течности „прате“ линије магнетног поља све док се не успостави равнотежа сила које делују.Generated from: Sfn
Истовремено, формирање врхова и удубљења супротстављају се гравитација и површински напон. Потребна је енергија и да би се течност померила из удубљења и подигла у врхове, и да би се повећала површина течности. Укратко, формирање таласасте површине повећава површинску слободну енергију и гравитациону енергију течности, али смањује магнетну енергију. Таласи на површини формирају се само изнад критичне јачине магнетног поља, када смањење магнетне енергије надмашује повећање површинске и гравитационе енергије.Generated from: Sfn
Ферофлуиди имају изузетно велику магнетну осетљивост, а критично магнетно поље потребно за настанак таласасте површине може се постићи чак и малим шипкастим магнетом.
Уобичајени сурфактанти за ферофлуиде Сапуничасти сурфактанти који служе за облагање наночестица обично обухватају, али нису ограничени на следеће:
Олеинска киселина
Хидроксид тетраметиламонијум
Цитрична киселина
Сојин лецитин
Ови сурфактанти спречавају да се наночестице скупљају, тако да честице не излазе из суспензије нити формирају грудву магнетног праха у близини магнета. Магнетне честице у идеалном ферофлуиду никада не таложе, чак ни када су изложене јаком магнетном пољу. Сурфактант има поларну главу и неполарни реп (или обрнуто), при чему се један део адсорбује на наночестицу, док неполарни реп (или поларна глава) остаје у носећој течности, формирајући обрнуту или редовну мицелу око честице. Електростатско одбијање затим спречава агломерацију честица.
Иако сурфактанти помажу у успоравању таложења ферофлуида, они такође умањују магнетна својства течности (посебно магнетну засићеност). Додавање сурфактаната (или било којих других страних честица) смањује густину паковања ферочестица у активираном стању, чиме се смањује вискозност течности у активираном стању, што резултује „мекшом“ активираном течности. Иако вискозност у активираном стању („тврдоћа“ активиране течности) није толико значајна за неке примене ферофлуида, она представља кључну карактеристику за већину њихових комерцијалних и индустријских примена, па се мора направити компромис између вискозности у активираном стању и брзине таложења ферофлуида.
Примене ферофлуида
Данашња примена
Електронски уређаји Ферофлуиди се користе за формирање течних заптивача око ротационих вратила у хард дисковима. Ротационо вратило окружују магнети. Мала количина ферофлуида, постављена у празнини између магнета и вратилa, остаје на месту захваљујући привлачности магнету. Течност са магнетним честицама формира баријеру која спречава продирање прашине и других честичастих материја у унутрашњост хард диска. Према инжењерима компаније Ferrotec, ферофлуидни заптивачи на ротационим вратилима обично издржавају притисак од 3 до 4 psi; додатни заптивачи се могу наслагати како би се формирала конструкција способна да издржи веће притиске.
Машинско инжињерство мини|Р. Е. Розеншвајг са феро-флуидом у своjoj лабораторији (1965). Ферофлуиди имају својство смањења трења. Ако се нанесу на површину довољно јаких магнета, као што су магнети од неодимијума, могу изазвати да магнет клизи по глатким површинама са минималним отпором.
Истраживања у области науке о материјалима Ферофлуиди се могу користити за визуелизацију магнетних доменских структура на површини феромагнетних материјала, користећи технику коју је развио Френсис Битер.
Примене у звучницима мини|Феро-флуид је уљаста супстанца која се прикупља на половима магнета, а налази се испод смеђег уља. Почевши од 1973. године, ферофлуиди се користе у звучницима за одвођење топлоте са звучне завојнице и за пасивно ублажавање кретања звучничког конуса. Они се налазе у простору који би иначе био ваздушни размак око звучне завојнице, где их држи магнет звучника. Пошто су ферофлуиди парамагнетни, они се понашају по Кјуријевом закону и стога постају мање магнетни на вишим температурама. Јак магнет постављен близу звучне завојнице (која производи топлоту) привлачи хладни ферофлуид више него топли, чиме потискује загрејани ферофлуид да се помери са електричне звучне завојнице ка расхладном елементу. Ово је релативно ефикасан начин хлађења који не захтева додатни унос енергије.
Боб Берквитц из компаније Acoustic Research почео је да проучава ферофлуид 1972. године, користећи га за ублажавање резонанције твитера. Дана Хатавеј из компаније Epicure у Масачусетсу користила је ферофлуид за ублажавање твитера 1974. године и приметила је његов механизам хлађења. Фред Бекер и Лу Мелиљо из Becker Electronics такође су били рани корисници 1976. године, при чему се Мелиљо придружио компанији Ferrofluidics и објавио чланак 1980. године. У концертном звуку, компанија Showco почела је да користи ферофлуид 1979. године за хлађење вуфера. Free, John . p. 61.Panasonic је био први азијски произвођач који је увео ферофлуид у комерцијалне звучнике, такође 1979. године. Ово подручје је брзо напредовало почетком 1980-их. Данас се годишње производи око 300 милиона звучних претварача са ферофлуидом унутра, укључујући звучнике уграђене у лаптопове, мобилне телефоне, слушалице и бежичне слушалице.
Сепарација ћелија мини|Симулације феро-флуида за различите параметре површинске напетости и јачине магнетног поља. Ферофлуиди повезани са антителима или уобичајеним агенсима за хватање, као што су Стрептавидин (SA) или Рat Аnti-Мouse Ig (RAM), користе се у имуно-магнетној сепарацији, подскупу сортирања ћелија. Ови коњуговани ферофлуиди служе за везивање за циљне ћелије, а затим се магнетно одвајају од мешавине ћелија помоћу магнетног сепаратора са ниским градијентом. Ферофлуиди оваквог типа имају примене у терапији ћелијама, генској терапији, производњи ћелија и другим областима.
Аудиовизуализација мини|Макрофотографија феро-флуида под утицајем магнета Са естетске стране, ферофлуиди се могу приказивати како би визуелизовали звук. У ту сврху, капљица ферофлуида се суспендује у провидној течности. Електромагнет делује на облик ферофлуида у зависности од јачине звука или аудио фреквенције музике, омогућавајући му да селективно реагује на високе или ниске тонове песме.
Феролинза мини|Феро-флуид у магнетном пољу