فروسیال ، ویژگی ها ، کاربرد ، سورفکتانت‌

لینک دانلود کلیپ ساخت ماده فرومگنتیک جاذب نفت سیاه از آب  .....

فِروسیال یا فِروفلوئید (ترکیبی از دو واژهٔ فرومغناطیس و فِلوئید به معنای شاره یا سیال) یا محلول مغناطیسی 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 به صورت 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 نیروی واندروالسی سورفاکتانت برای جلوگیری از توده‌ای شدن یا لخته شدن کفایت می‌کند.
فروسیال معمولاً زمانی 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 ((به انگلیسی: Superparamagnet)) قرار می‌گیرند. 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 به طور 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، ته نشین می‌شوند. از این رو ماده‌های فروسیال و مایعات مغناطیسی کاربردهای متفاوتی دارند.

تصویر ماکرو از فروفلوئید در یک میدان مغناطیسی

 

 ویژگی‌ها
ناپایداری در میدان عمودی
وقتی این شاره در یک میدان مغناطیسی عمودی قوی (با مقادیر خاصی) قرار می‌گیرد، سطح آن به شکل منظمی از قله‌ها و دره‌ها در می‌آید. این پدیده به ناپایداری میدان عمودی (( Normal-field instabilit)) معروف است. این ناپایداری توسط میدان مغناطیسی حفط می‌شود و می‌توان نشان داد که در این حالت قرارگیری سطح مایع، انرژی کل آن کمینه است.
هنگام قرارگیری در این حالت، انرژی ناشی از کشش سطحی و نیز انرژی پتانسیل گرانشی سامانه افزایش می‌یابند، امابازای یک شدت بحرانیِ میدان اعمال شده، کاهش انرژی مغناطیسی بر افزایش انرژی‌های گرانشی و ناشی از کشش سطحی غلبه می‌کند و انرژی کل سامانه کمینه می‌گردد.

ناپایداری میدان عمودی هنگام قرارگیری در میدان مغناطیسی.مغناطیس نئودیمیم در زیر آن قرارگرفته‌است.

کاربردها
در ساخت برخی ابزارهای الکترونیکی:در ساخت دیسک سخت کاربرد دارند.

در مهندسی مکانیک: فروسیال‌ها خاصیت کاهش اصطکاک دارند و در شرایط خاصی می‌توانند به عنوان روان‌کننده استفاده شوند. همچنین ویژگی‌های انتقال حرارت آن‌ها هنگام قرارگیری در شرایط خاص کاربردهایی دارد.

در پزشکی: در تشخیص بیماری‌هایی نظیر سرطان با استفاده از ام‌آرآی کاربرد دارد.
    در ساخت سیل های مکانیکی با سیال های مغناطیسی و همچنین در ساخت کوپلینگ های انعطاف پذیر نیز کاربرد دارند.
    
جداسازی نانو ذرات مغناطیسی magnetic nanoparticle separation
در سال 2006 درمجله  Science گروه Yavuz گزارش دادند که نانو ذرات مغناطیسی با ابعاد 20 nm را سنتز کرده اند که می تواند آرسنیک آبهای آلوده را به خود جذب کند. این مطالعه گامی بزرگ درجهت رفع آلودگی آبها در کشور های جهان سوم است. چراکه این ذرات جذب کننده آلودگی به راحتی در آب پخش می شوند و به دلیل نانو بودنشان نسبت سطح به حجم خوبی دارند ( توانایی زیادی برای جذب گونه هدف دارند) و به راحتی توسط آهن ربا جمع خواهند شد و آب را تمیز می کنند. سطح این نانوذرات میل ترکیبی شیمیایی- فیزیکی شدیدی به آلوده کننده ها دارد و به دلیل وجود گروه های عامل دار شده در سطح و یا مبادله کنندگان یون در سطح نانو ذرات می باشد.
این سیستمها مشکلاتی را نیز دارند که کمتر مورد توجه قرار گرفته است : گاهی اوقات این نانو ذرات قبل از اینکه کاملا در محیط پخش شوند و همه آلودگی را جذب کنند شروع به تجمع می کنند که نیاز هست مدام محلول هم زده شود و یا با تغییراتی در سطح نانو ذرات، دافعه الکترواستاتیکی ایجاد شود.  یکی دیگر از مشکلات این است که هنگامی که نانوذرات توسط آهن ربای معمولی جمع می شوند باز هم برخی از این نانوذرات در محلول باقی می مانند و برای جمع آوری باقیمانده ها توسط آهن ربا زمان زیادی را خواهد برد ( مخصوصا اگردر ابعاد صنعتی باشد). راه حل پیشنهادی این است که ازferrofluid  ها استفاده شود. ferrofluid ها محلولی حاوی نانو ذرات مغناطیسی با غلظت بسیار بالا هستند که هنگامی که بخشی از محلول در مجاورت میدان مغناطیسی قرار داده می شود بقیه محلول نیز خاصیت مغناطیسی پیدا می کند (سطح محلول خاصیت شانه ای شدن پیدا می کند). همانطور که در شکل مشخص است اگر از ferrofluid جهت رفع آلودگی استفاده شود ،همزمان که آلودگی را جذب می کند ، یک مسیر کنترل شده درمحلول به سمت آهن ربا ایجاد می شود و سرعت جمع آوری نانو ذرات بسیار زیاد خواهد بود.