NO153277B - Fremgangsmaate og anordning for aa bringe legemer nedsenket i vaeske til aa danne regelmessige strukturmoenstre - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår fremgangsmåte og anordning for å bringe legemer nedsenket i væske til å danne regelmessige strukturmønstre som kan hensiktsmessig påvirke elektromagnetiske eller akustiske bølger, simulere forhold ved atom- og molekylstrukturer eller lignende. For dette formål er det tidligere anvendt dispersjoner av kolloidale magnetiske partikler i en ikke-magnetisk væske, særlig for studium av forskjellige krystallisasjonsfenomener. En ulempe i denne forbindelse er at hver sådan magnetisk par-tikkel helst bør utgjøres av et eneste magnetisk domene og partiklene må da være meget små (størrelsesorden 0,01 ^um). Større partikler med flere domener vil således ikke opptre ensartet i et magnetisk felt og vil derfor ikke utgjøre en monodispers partikkelsamling som er hensikts-messsig for det foreliggende formål.

Det er da et formål for oppfinnelsen å overvinne denne ulempe og dette oppnås ved en fremgangsmåte av ovenfor angitt art og hvis særtrekk i henhold til oppfinnelsen består i at et stort antall umagnetiske, hovedsakelig monodisperse partikkellegemer dispergeres i en magnetisk væske, som derpå utsettes for et hovedsakelig homogent magnetfelt.

Oppfinnelsen omfatter også en anordning som er egnet for å utføre denne fremgangsmåte og således har som særtrekk i henhold til oppfinnelsen at den omfatter en magnetisk væskemengde hvori det er dispergert et stort antall umagnetiske, hovedsakelig monodisperse partikkellegemer, samt magnetiseringsutstyr for å utsette væsken med de dispergerte partikler for et hovedsakelig homogent magnetfelt.

Selv om de dispergerte partikkellegemer i seg selv er umagnetiske vil et sådant legeme når det befinner seg nedsenket i en magnetisk væske som er utsatt for et magnetisk felt, anta et magnetisk moment som er lik det magnetiske moment av den væskemengde legemet fortrenger, men er motsatt rettet. Dette forhold er analogt med Arkimedeses prinsipp for et legeme som under innflytelse av tyngekraf-ten er nedsenket i en væske, og da utsettes for en oppdrifts-kraft tilsvarende, men motsatt rettet tyngdekraftens virk-ning på den fortrengte væskemengde.

De dispergerte partikkellegemer danner således magnetiske "hull" i den magnetiske væske og kan da betraktes helt analogt med de kjente elektriske hull i et halvleder-material. Sådanne hull i en magnetisk væske vil da,som ovenfor angitt, under innflytelse av et magnetfelt oppvise et tilsynelatende magnetisk moment. Hull av samme størrelse og form vil i foreliggende forbindelse være av særlig interesse da de re-presenterer et system av tallrike legemer i innbyrdes di-polpåvirkning som lett kan varieres ved hjelp av et varier-ende ytre felt. Dette gir da utstrakte muligheter for dannelse av regelmessige strukturmønstre for de ovenfor angitte formål, og som kan styres av et ytre homogent magnetfelt.

En magnetisk væske eller ferrofluid består av en kolloidal suspensjon av små ferromagnetiske monodomene-partikler i en umagnetisk bærevæske. En typisk sådan magnetisk væske kan bestå av noen volum- magnetittpartikler (Fe^O^) av en midlere størrelse på ca. 0,01 ^um i en parafin som bærevæske. Overflateaktive stoffer som dekker partiklene for-hindrer agglomerering og på grunn av den lille partikkel-størrelse vil Brownske bevegelser forhindre sedimentering i et gravitasjonsfelt eller magnetfelt. Partiklene vil oppføre seg magnetisk som klassiske dipoler og væsken vil være såkalt ideelt paramagnetisk ved at den bare blir magnetisk i et ytre magnetfelt. Nedsenkning av umagnetiske legemer i sådan magnetisk væske har hittil bare blitt anvendt for separering av ulike materialer i et inhomogent ytre magnetfelt som vil resultere i en variasjon av det magnetiske trykk eller den kraft væsken utøver på nedsenkede legemer av forskjellig form og vekt.

I henhold til foreliggende oppfinnelse benyttes imidlertid homogene ytre magnetfelt som ikke vil utøve noen direkte kraft på de dispergerte umagnetiske legemer, men som vil frembringe indirekte kraftvirkninger mellom de forskjellige legemer som således kan stabilisere seg innbyrdes i regu-lære strukturmønstre som tilsvarer en minimalisering av den totale energi i systemet. Hvis et sådant nedsenket legeme er anisotropt vil det virke et dreiemoment på legemet slik at det dreies til en stabil tilstand som tilsvarer en minimumsverdi for legemets energi. Ellipsoideformede legemer vil således innstille seg med den lengste ellipsoide-aksei retning av det påtrykte magnetfelt. Ved dreining av det ytre homogene felt vil da regelmessige strukturmønstre av monodisperse anisotrope legemer oppvise en kollektiv dreiebevegelse. Ved passende variasjon av det ytre magnetfelt med hensyn til styrke og retning vil sådanne struktur-mønstre også kunne moduleres i tid og rom. Dette kan benyttes til å simulere forskjellige forhold og prosesser i atom- og molekylstrukturer, særlig da faseoverganger og overflatefenomener.

De umagnetiske partikler i den magnetiske væske kan også under hensiktsmessig påvirkning fra det ytre homogene magnetiske felt bringes til å danne mikroskopiske og makro-skopiske strukturmønstre som kan benyttes til monokromati-sering, filtrering, dreining, polarisering og lignende av forskjellige former for akustiske og elektromagnetiske bølger. Tidligere kjent utstyr for dette formål har den ulempe at deres bruksområde er begrenset til fastlagte bølgelengder, med små muligheter for modulasjon i tid og rom. Den foreliggende dannelse av strukturmønstre i henhold til oppfinnelsen gir imidlertid utvidede muligheter for enklere håndtering av forskjellige bølgetyper, særlig mikrobølger i mm-området, samtidig som de frembragte strukturmønstre kan moduleres i tid og rom. Som ovenfor angitt oppnås dette ved at det i en magnetisk væske frem-bringes hulrom av samme størrelse og form ved anvendelse av dispergerte monodisperse umagnetiske legemer som kan styres kollektivt til å danne forskjellige hensiktsmessige strukturmønstre ved at væsken som omgir legemene magneti-seres. Uttrykket "monodisperse legemer" innebærer at et stort antall legemer har hovedsakelig samme størrelse og form. De anvendte partikkellegemer i henhold til oppfinnelsen er fortrinnsvis av plastmaterial, særlig polystyren, samt av en størrelse i området 1-20 ^um. De ønskede dispergerte magnetiske hull kan imidlertid prinsippielt dannes av hvilke som helst homogene, vel avgrensede legemer, eventuelt også i gass- eller væskeform. Da det benyttes helt umagnetiske partikkellegemer er den tidligere omtalte ulempe ved partikler med flere magnetiske domener i tidligere systemer fullstendig overvunnet.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart ved hjelp av et utførelseseksempel og under henvisning til de vedføyde teg-ninger, hvorpå: Fig. 1 viser en praktisk oppstilling for direkte mikroskop-isk observasjon av frembragte strukturmønstre. Fig. 2 viser situasjonen for et enkelt isolert kuleformet partikkellegeme i denne oppstilling. Fig. 3 viser vekselvirkningen mellom to kuleformede partikkellegemer i et homogent magnetfelt parallelt med væskesjiktet i fig. 1. Fig. 4 viser samme forhold som i fig. 3 ved et magnetfelt vinkelrett på væskesjiktet.

En praktisk oppstilling som viser den kollektive oppførsel

av monodisperse kuler i en magnetisk væske er vist skjematisk i fig. 1.

Et tynt sjikt eller en væskefilm (F) av magnetisk væske er innesluttet mellom to planparallelle glassplater (G). Monodisperse polystyrenkuler er dispergert i denne væske. For de eksperimenter som vil bli beskrevet her ble det valgt en magnetisk væske bestående av parafin med dispergerte magnetiske mikropartikler. Metningsmagnetiseringen Mg for denne væske er 400 Gauss og væskens initielle susceptibili-tet ved lave magnetfelt H er X = 0,17, således at magneti-seringen vil være M = XH. Kulenes diameter er 9,6 ^um og væskesjiktets tykkelse er ca. 15 ^urn. Væskesjiktet er an-ordnet for å påtrykkes et ytre homogent magnetfelt både vinkelrett (H^) og parallelt (H(j) ved hjelp av to par magnet-spoler. Kulene kan observeres ved bruk av et lysmikroskop (LM) ved gjennomfallende lys. De typiske strukturmønstre som kulene danner under påvirkning av forskjellige magnetfelt vil bli nærmere beskrevet i det følgende.

Med et magnetfelt parallelt med væskesjiktet (f.eks. Hu = 100 oe.) vil det dannes forskjellige partikke lf aser avhengig av konsentrasjonen av partikkellegemer: 1) en "gasslignende" fase med lav konsentrasjon hvor det opptrer isolerte og parvis ordnede kuler. 2) en "væskelignende" fase med middels partikkeltetthet hvor kulene danner kjeder som viser at det virker til-trekning mellom kulene samt frastøting mellom de forskjellige kjeder. 3) en "faststoff-lignende" fase med høy partikkeltetthet.

Med et magnetfelt vinkelrett på væskesjiktet (f.eks. 50 06.) vil det dannes en regulær trekantstruktur hvor avstandene mellom de forskjellige kuler vil være gitt av partikkel-konsentrasjonen. Dette viser at det virker frastøtende krefter mellom kulene.

En vurdering av de grunnleggende kraftvirkninger som gir de omtalte strukturmønstre vil bli gitt i det følgende.

Fig. 2 viser skjematisk situasjonen for en enkelt kule med diameter D i en magnetisk væske. Kulen fortrenger et visst væskevolum og danner et magnetisk hull med volum V = tfD /6. Ved et påtrykt ytre magnetisk felt H(6) som danner en vin-kel Qmed væskesjikt-planet, vil det magnetiske moment Mv(8) som tilsvarer det dannede magnetiske hull være lik momentet av den fortrengte væske, men ha motsatt retning og være gitt ved:

"ff (8) = -X _ _ (6 ) v1f( 6 ) (1)

v erf

Det antas et lineært medium og den effektive susceptibili-tet X ^£ (&) pr. volumenhet av væsken vil da være gitt til første orden ved ligningen:

Xeff(9) = X/[l+(NF(e)-4fr/3x] (2)

Her er X masse-susceptibiliteten pr. volumenhet, N_r(é) demagnetiseringsfaktoren for væskesjiktet og 4TT/3 demagnetiseringsfaktoren for en kule. Med et magnetfelt vinkelrett på væskesjiktet er Nr ^fi) = N„r(9<0>O) = 4lt'mens et parallelt felt gir N_(©) = Nc,(0°) = 0.

r r

For to kuler som er adskilt med en avstand a fra senter til senter vil det foreligge en effektiv dipolær vekselvirkningsenergi som til første orden er gitt ved:

E(9) = [Mv(9)]<2>(l-3cos<2>©)/a<3> (3)

For et felt parallelt med væskesjiktet, slik som vist i

fig. 3, reduseres ligningen (3) til:

E(0°) = -2[Mv(0°)]<2>/a<3> (4)

og det vil således foreligge en tiltrekningskraft mellom de forskjellige kuler eller de dannede hull i den mag-' netiske væske, og kulene vil da danne kjedesystemer. De således dannede kjeder kan til første orden betraktes som langstrakte dipolstaver og det vil virke frastøtende krefter mellom disse staver, som således vil danne regelmessige parallelle strukturmønstre hvor avstanden mellom stavene er bestemt av kulekonsentrasjonen i væsken.

Kulekjedene vil følge de magnetiske feltlinjer, hvilket gjør at den foreliggende anordning også kan benyttes for direkte visuell fremvisning og kartlegging av magnetfeltet rundt et magnetsystem.

For et magnetfelt vinkelrett væskesjiktet, slik som vist

i fig. 4, vil det virke frastøtende kraft mellom de forskjellige kuler med en vekselvirkningsenergi gitt ved ligningen : E(90°) = [Mv(90°)]<2>/a<3> (5)

Dette vil føre til regelmessige trekantstrukturmønstre

for de dispergerte kuler i væsken under visse betingelser som vil bli nærmere angitt nedenfor.

Ligningene (1) - (5) gir en beskrivelse av det foreliggende system til første orden. For nøyaktigere beregninger vil det være påkrevet med numerisk analyse ved bruk av f.eks. elementmetoden.

For å angi den termiske stabilitet av de frembragte gitter-strukturer, kan det innføres en dimensjonsløs parameter gitt som forholdet mellom den dipolære vekselvirkningsenergi og termisk energi:

rd(&) = [My(8)]<2>/a<3>kBT (6)

Her er M^fQ) gitt ved ligning (1), T er absoluttt temperatur og kn er Boltzmanns konstant, f,(&) angir graden av orden i

ts a

kulesystemet, og når denne størrelse ligger under en viss kritisk verdi, vil de Brownske termiske bevegelser bli så dominerende at de regelmessige gittermønstre kan antas å bli brutt opp til en uordnet partikkelmasse. De kritiske verdier for størrelsen f^(®) er ikke kjent utifrå beregninger til første orden. Det er imidlertid blitt foretatt numeriske simuleringer av et sådant todimensjonalt modellsystem av innbyrdes frastøtende dipoler. Disse simuleringer tyder på at det vil dannes regelmessige strukturer ved en verdi )590<o>) =62+3. Dette er i rimelig overrensstemmelse med observasjoner som er foretatt på det foreliggende kulesys-tem, og som derved bekrefter gyldigheten av den ovenfor angitte beskrivelse av systemet.

Ved en dreining av magnetfeltet fra retning parallelt med væskesjiktet til en retning vinkelrett på dette kunne det observeres en overgang fra et kvasi-endimensjonalt til et kvasi-todimensjonalt gittermønster. Denne overgang finner sted omtrent ved 0= 70° hvori de rettlinjede kulekjeder begynner å brytes opp og har en tendens til å danne et trekantformet gittermønster. Ved den foreliggende enkle anordning kan man således simulere en faseovergang i et krystallgitter.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for å bringe legemer nedsenket i væske til å danne regelmessige, strukturmønstre som kan hensiktsmessig påvirke elektromagnetiske eller akustiske bølger, simulere forhold i atom- og molekylstrukturer eller lignende, karakterisert ved at et stort antall umagnetiske, hovedsakelig monodisperse partikkellegemer dispergeres i en magnetisk væske, som derpå utsettes for et hovedsakelig homogent magnetfelt.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det homogene magnetfelts styrke og/eller retning varieres.

3. Anordning for å bringe legemer nedsenket i væske til å danne regelmessige strukturmønstre som kan hensiktsmessig påvirke elektromagnetiske eller akustiske bølger, simulere forhold i atom- og molekylstrukturer eller lignende, karakterisert ved at anordningen omfatter en magnetisk væskemengde hvori det er dispergert et stort antall umagnetiske, hovedsakelig monodisperse partikkellegemer, samt magnetiseringsutstyr for å påtrykke væsken med de dispergerte partikler et hovedsakelig homogent magnetfelt .

4. Anordning som angitt i krav 3, karakterisert ved at magnetiseringsutstyret er innrettet for å variere det homogene magnetfelts styrke og/eller retning.

5. Anordning som angitt i krav 3 eller 4, karakterisert ved at væskemengden med de dispergerte partikkellegemer er innelukket i et smalt mellomrom mellom planparallelle plater med vesentlig større flatedimensjoner enn mellomrommets tykkelse.

6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at mellomrommets tykkelse ligger mellom partikkellegemenes største dimensjon og det dobbelte av denne dimensjon.

7. Anordning som angitt i krav 1-6, karakterisert ved at partikkellegemene er av plastmaterial, fortrinnsvis polystyren.

8. Anordning som angitt i krav 1-7, karakterisert ved at partiklene er hovedsakelig kuleformet, fortrinnsvis med en diameter 1-20 ^um.

9. Anordning som angitt i krav 1-8, karakterisert ved at den magnetiske væske utgjøres av en kolloidal suspensjon av ferromagnetiske monodomene-partikler i en ikke-magnetisk bærevæske, f.eks. en parafin eller vann.

10. Anordning som angitt i krav 9, karakterisert ved at de ferromagnetiske monodomene-partikler, fortrinnsvis av magnetitt, er vesentlig mindre enn de umagnetiske partikkellegemer og fortrinnsvis av størrelsesorden 0.01 ^,um.