CC BY
59ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СИСТЕМУ «ЖЕЛЕЗО-МЕДЬ-ВОДА»
Бурова1 Д.Н. школьница, Цебрук2И.С., Классен2Н.В.
1- Физико-математический лицей, Сергиев Посад, darya5401@gmail.com 2- Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, cebruk@issp. ac. т
DOI: 10.24411/9999-004A-2019-10045
Нами обнаружены новые проявления влияния магнитного поля на систему «железо-медь-вода», которые расширяют представления об особенностях взаимодействий между парамагнитными и диамагнитными веществами. На основе этих эффектов мы разрабатываем несколько технологических методик и устройств. В экспериментах использовались поликристаллические образцы сталиЗ (доля железа 97%) и технической меди (доля меди не менее 99%), сернокислая медь (медный купорос) и дистиллированная вода. Магнитные воздействия создавались постоянными магнитами (поля до 0,4 Тл) и собственными магнитными моментами атомов железа как в объемной стали, так и в агломератах химических соединений железа. Динамика превращений в системе железо-медь-вода наблюдалась через оптический микроскоп и регистрировалась видеокамерой. Модельным процессом для изучения влияния магнитных воздействий служила хорошо известная реакция восстановления меди железом в водном растворе медного купороса.
Обнаружено, что восстановление меди железом замедляется вдвое уже при напряженности внешнего магнитного поля порядка 0,3 Тл. При дальнейшем увеличении поля замедление монотонно возрастает до поля 0,6 Тл, когда реакция замедляется втрое. Замедление восстановления меди объясняется тем, что в реакции окисления железа в основном участвуют атомы междоменных границ, которые гораздо слабее связаны. При увеличении поля домены укрупняются, сокращая общую длину границ и замедляя, тем самым, восстановление меди. При достижении поля насыщения, когда образец становится монодоменным, реакция выходит на стационарную скорость. В процессе восстановления меди железом раствор проходит через несколько превращений. В начале содержащиеся в нем ионы двухвалентной меди слабо парамагнитны, но при контакте с поверхностью железа они быстро восстанавливаются, становясь диамагнитными. В процессе восстановления в раствор переходят сильно парамагнитные ионы железа. Их магнитное поле выталкивает наружу диамагнитные ионы меди, которые высаживаются тонкой пленкой на поверхности контактирующего с раствором образца железа. При отсутствии внешнего магнитного поля раствор сульфата меди постепенно по
мере замещения превращается в раствор сульфата железа, хорошо растворяющегося в воде. Но при наложении на раствор магнитного поля величиной более 0,3 Тл обнаружилось выделение из раствора белых микрочастиц, которые сначала плавают на поверхности капли, а затем собираются в каемку по ее контуру. Анализ показал, что это - микрочастицы безводного сульфата железа, водная растворимость которого при наложении магнитного поля оказалась резко уменьшенной. Это объясняется тем, что в сильном магнитном поле парамагнитные ионы железа стремятся максимально сблизиться, выдавливая молекулы воды, оказавшиеся между ними.
Если в раствор сернокислой меди, где идет восстановление ее железом, опустить стальную иглу, восстанавливаемая медь начинает преимущественно высаживаться на самой игле и на прилегающей к ней поверхности. Перемещения иглы вдоль этой поверхности позволяют получить на ней микро- и даже нано-рисунки заданной геометрии из медного осадка. Тем самым создается простая альтернатива электронно-лучевой литографии для формирования сложных профилей из проводящих или полупроводниковых микродорожек. Еще один вариант магнито-химической литографии связан с сканированием вдоль поверхности ферромагнитного материала, погруженного в травящий раствор, магнитной иглы. В зоне сближения иглы с поверхностью структура магнитных доменов будет измельчаться из-за сильно неоднородного магнитного поля. Поэтому под магнитной иглой будут вытравливаться канавки, геометрия которых может регулироваться формой ее острия, степенью сближения с поверхностью, скоростью и направлением сканирования. Если же в раствор медного купороса наряду с железом ввести и медную проволоку, восстанавливаемая медь высаживается на ней.
На базе этих результатов проработаны методики наращивания меди на изношенные участки медных изделий непосредственно по месту их службы. Например, для реставрации контактных проводов электротранспорта их изношенные участки обрабатываются охватывающими нижнюю часть провода шариковыми обкатчиками с подачей к точкам их соприкасания с проводом раствора сернокислой меди. Стальные шарики выполняют при этом две функции: активируют высаживание свежей меди на провод и упрочняют ее связь с исходным проводом посредством вкатывания.
Существенное влияние магнитных взаимодействий на систему железо-медь-вода обнаружилось и без магнита. На поверхность стальной пластины были нанесены две капли раствора медного купороса. После приблизительно двух минут процесса восстановления меди железом капли начали сближаться друг с другом до тех пор, пока между ними не образовалась перемычка раствора. Возник поток ионов железа из меньшей капли в большую, а навстречу ему пошла миграция ионов меди. В конечном итоге на месте меньшей капли образовался круговой осадок меди, а большая капля покрылась коркой сульфата железа. Такие процессы объясняются тем, что при переходе ионов железа из стальной
подложки в раствор его парамагнитная восприимчивость значительно возрастает. В результате усиливается притяжение между каплями, приводящее к образованию перемычки. По ней ионы железа, втягиваясь в направлении увеличения поля, из меньшей капли переходят в большую. Им навстречу за счет отталкивания от пришедших ионов железа в меньшую каплю мигрируют диамагнитные атомы меди. В итоге большая капля пересыщается железом, а меньшая - медью, что и приводит к выделению из пересыщенных капель сульфата железа и меди. Еще один вид саморасслоения диамагнитной меди и парамагнитного железа был обнаружен при нанесении капель медного купороса на слой микрочастичек железа на полимерной подложке. За несколько десятков секунд боковые поверхности капель покрылись тонкой коркой порошинок железа, которые поднимались от основания капли вверх. Сила, поднимающая эти микрочастицы вопреки силе тяжести, обусловлена химическим притяжением между ионами меди в приповерхностном слое капли и поверхностью железа. Но при осаждении диамагнитной меди на поверхность порошинки химическое притяжение сменяется на отталкивание от парамагнитного раствора. В итоге микрочастицы занимают стабильное положение именно на поверхности капли, где отталкивание от раствора диамагнитной меди уравновешено магнитным притяжением железа, на котором она лежит. Два обнаруженных процесса саморасслоения меди и железа позволяют формировать микроструктуры с чередованием диамагнитных и ферромагнитных слоев, востребованные спинтроникой, техникой терагерцовых микрорезонаторов, управляемых магнитным полем, и т.д.
