Tekoči magneti: temeljne raziskave feromagnetnega urejanja v tekočinah
Oznaka in naziv projekta
J1-2459 Tekoči magneti: temeljne raziskave feromagnetnega urejanja v tekočinah
J1-2459 Liquid Magnets: fundamental studies of ferromagnetic order in liquids
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Nerea Sebastian Ugarteche
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Zaradi naraščajočega povpraševanja po novih magnetnih funkcionalnih materialih za tehnološki napredek so temeljne raziskave magnetnih materialov velikega pomena in se zanimanje zanje povečuje. Med njimi so magnetno odzivne tekočine zelo zanimive za široko paleto novih aplikacij na področju pridobivanja energije, magnetno-mehanske aktuacije in črpanja, nadzora svetlobe z magnetnimi polji in zaznavanja magnetnega polja. Klasični ferofluidi, t.j. koloidne suspenzije okroglih feromagnetnih nanodelcev dispergirane v izotropnem topilu, so kljub njihovemu imenu paramagnetne, ker so v odsotnosti zunanjih magnetnih polj delci naključno orientirani. Eksperimentalna realizacija pravega feromagnetnega ferofluida, ki ima magnetni red tudi v odsotnosti zunanjega magnetnega polja, je bil dolgoletni izziv, ki je bil pred kratkim rešen v raziskavi, pri kateri so sodelovali tudi nekateri člani projektne skupine predlaganega projekta, kjer so v suspenzijah magnetnih nanoploščic Sc-BaHF v n-butanolu poleg nematičnega reda opazili tudi spontani ferromagnetni red. Ti novi tekoči magneti tako odpirajo možnost eksperimentalnega preučevanja povsem novega sklopa zelo zanimivih temeljnih fizikalnih pojavov, ki ležijo med pojavi opaženimi v trdnih magnetih in v paramagnetnih ferofluidih.
Pri tem projektu bomo temeljito preučiti lastnosti tekočih magnetov z namenom vzpostavitve celovitega okvirja za razvoj področja feromagnetizma v tekočinah. Začeli bomo z optimizacijo in razvojem teh novih tekočih magnetnih materialov s spreminjanjem različnih parametrov: sterično in magnetno interakcijo z variiranjem porazdelitve velikosti delcev in njihove magnetizacije ter elektrostatsko interakcijo z variiranjem koncentracije surfaktanta. S celostno karakterizacijo osnovne fizikalne lastnosti materialov (kot so parameter urejenosti, dvolomnost, nasičeno magnetizacijo, viskoznost, difuzijske koeficiente, AC magnetno susceptibilnost), želimo razviti materiale z hitrim odzivom na spremembe zunanjega polja in velikimi spremembami optičnih in magnetnih lastnosti. Dodatno bomo s strukturno analiza s pomočjo SAXS, SANS in SANSPOL pridobili vpogled v magnetne korelacije in korelacije med pozicijami delcev. Presenetljivo je, da je mogoče sistematično pripraviti uniformne magnetne domene velikosti do nekaj milimetrov, tako da material zapremo v kapilare, kjer tvorijo strukture z zaprtimi magnetnimi domenami. Ker je material tekoč, njegova viskoznost in orientacijske elastične konstante močno vplivajo na njegovo strukturo, stabilnost, in čas, v katerem se formirajo domene. Posledično, lahko v materialu opazimo bogato hierarhijo struktur, kjer se domenske stene zlahka upogibajo. Z združenjem eksperimentalnih meritev in makroskopskega modela na osnovi Landau-de-Gennesovega pristopa, želimo pridobiti poglobljeno razumevanje mehanizmov za oblikovanje magnetnih domen v tekočinah ograjenih v preproste in kompleksne geometrije in oceniti stabilnost domen v zunanjem statičnem magnetnem polju. Z razvojem ultraobčutljivih monodomenskih vzorcev bomo raziskali možnost razširjanja magnetnega signala z lokalnimi statičnimi in časovno odvisnimi magnetnimi polji gostite velikostnega reda mikro Tesle. Dodatno želimo preučiti sklopitev med tokom tekočine in orientacijo magnetizacije, z namenom da bi uresničili brezstični črpalni sistem.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani. Povezava na SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza: Razvoj tekočih magnetov s prilagojenimi lastnostmi
2. Faza: Oblikovanje in stabilnost domen
3. Faza: Določitev dinamičnega odziva na perturbacije polja
Project description
Fundamental research on magnetic materials is of great and expanding interest due to the growing demand of novel magnetic functional materials for technological advances. Among them, magnetic responsive liquids are very interesting for a wide range of novel applications in the field of energy harvesting, magneto-mechanical actuation and pumping, light control by magnetic fields, or magnetic field sensing. Classical ferrofluids, i.e. colloidal suspensions of ferromagnetic nanoparticles dispersed in isotropic solvent, are despite their name, paramagnetic, since the dispersed particles have random orientations in the absence of external magnetic. Experimental realization of truly ferromagnetic ferrofluids, retaining magnetic ordering under no external fields, has been a long-standing challenge, which was only recently overcome by the groundbreaking research of some of the team members of the proposed project, where suspensions of scandium substituted barium hexaferrite nanoparticles in n-butanol show not only nematic ordering, but also spontaneous ferromagnetic fluid ordering. Such liquid magnets have opened up the possibility to experimentally study a completely new set of exciting fundamental physical phenomena lying between our understanding of solid magnets and paramagnetic ferrofluids.
In the present project, we aim to conduct a fundamental and thorough study of these novel magnet materials, with the final goal of creating a comprehensive framework for developing the field of ferromagnetisim in fluids. We will start by the optimization and development of these novel liquid magnet materials, by tuning the different parameters: the steric and magnetic interactions, by control of the particle size distribution/magnetization, and the electrostatic interactions by means of surfactant concentration. By full characterization of their physical properties (i.e. order parameter, birefringence, saturation magnetization, viscosities, diffusion coefficients, AC susceptibility), we aim to develop materials with tailored properties, in which response times to external fields are minimized while magnetic and optical responses are maximized. Structural analysis by means of SAXS, SANS, and SANSPOL should additionally provide insights into the spatial interparticle correlations and magnetic correlations. Remarkably, uniform magnetic domains spanning up to few millimeters can be systematically annealed by confinement in capillaries, forming textbook closure magnetic domain structures. Being fluid, the viscosities and orientational elastic constants will strongly influence the structure, stability, and formation time of the domains, resulting in a rich hierarchy of structures, where the domain walls can easily bend. We aim to generate in-depth understanding of such magnetic domain formation mechanisms under simple and customized confinement and to assess the stability of domains under external static fields, by combining experimental observations and the development of a macroscopic model based on the Landau-de-Gennes approach. By achievement of ultrasensitive monodomain samples, we will explore the possibilities of magnetic signal propagation by actuation with local static and time dependent microtesla magnetic fields. Finally, we will investigate the induction of flow by application of external time dependent magnetic fields, resulting from the strong coupling between flow and magnetization, with the final aim to realize a non-tactile microfluidic pumping system.
Project phase
1. phase: Development of liquid magnets with tailored properties
2. phase: Domain formation and stability.
3. phase: Determination of dynamic response to field perturbations.