CC BY
36
Ерин К. В.
Оптическая анизотропия коллоидных растворов наноразмерных частиц магнетита...
ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ МАГНЕТИТА В МАГНИТНОМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЯХ *
(к 40-летию с начала исследований) _К. В. Ерин_
OPTICAL ANISOTROPY OF COLLOIDAL SOLUTIONS OF MAGNETITE NANOPARTICLES IN MAGNETIC AND ELECTRIC FIELDS
(ON COMMEMORATION OF THE 40TH ANNIVERSARY OF THE RESEARCH BEGINNING)
Erin K. V.
The discovery and research history of optic ani-sotropy of magnetic colloidal nanosystems under the effect of magnetic and electric fields has been analyzed, The basic directions of investigating the double refraction effect in magnetic colloids and the role of the "Physics of Magnetic Nanosystems" Scientific School of Stavropol State University have been shown in their dynamics.
Проанализирована история открытия и изучения оптической анизотропии магнитных коллоидных наносистем при воздействии магнитного и электрического полей. Показаныi основные направления исследований эффекта двойного лучепреломления в магнитных коллоидах и роль научной школыi «Физика магнитных наносистем» Ставропольского государственного университета в их развитии.
Ключевые слова: магнитные коллоидыi, оптическая анизотропия, двойное лучепреломление.
УДК 535.557:537.632
Эффекты оптической анизотропии в молекулярных жидкостях при воздействии электрического поля исследуются с 1875 г., когда Джон Керр опубликовал знаменитую работу «Новое соотношение между электричеством и светом: диэлектрические среды двупреломляют» [1], в которой описал электрическое двойное лучепреломление в жидкостях. С тех пор это явление получило название эффекта Керра. Двойное лучепреломление (ДЛП) во внешнем магнитном поле было открыто тем же Дж. Керром и, независимо от него, итальянским физиком К. Майораной в 1901 г. [2]. Они заметили, что водные суспензии тонко измельченного магнетита и железа становятся двоякопре-ломляющими при помещении их в магнитное поле. Позднее, в 1906 г. французские ученые Эме Коттон и Анри Мутон детально изучили это явление и обнаружили, что оно имеет место для многих чистых жидкостей. Эффекты Керра и Коттона - Мутона объясняются ориентацией молекул жидкостей в электрическом и магнитном полях соответственно, что приводит к анизотропии диэлектрической проницаемости жидкости на оптических частотах и, следовательно, к двойному лучепреломлению. В молекулярных жидкостях величина эффекта Коттона -Мутона весьма незначительна по сравнению
*Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по образованию в рамках ведомственной аналитической научно-технической программы «Развитие научного потенциала высшей школы».
63/2009
Вестник Ставропольского государственного университета
с эффектом Керра по причине достаточно малых магнитных моментов молекул. Существенную величину эффекта Коттона - Мутона можно наблюдать в дисперсных системах, содержащих частицы сильномагнитных материалов (ферромагнитных металлов и их окислов).
Длительное время создание устойчивых коллоидных растворов ферро- и ферримагнит-ных частиц представляло трудную задачу, поскольку очень значительное магнитное диполь-дипольное взаимодействие частиц сильномагнитных материалов приводило к быстрой агрегации и последующему расслоению коллоидного раствора. В 60-х годах XX века физико-химические проблемы синтеза наноразмерных частиц ферримагнетиков, взвешенных в жидких средах, были успешно решены, что привело к созданию уникальных жидких намагничивающихся систем - магнитных жидкостей или феррожидкостей [3]. Магнитные жидкости сочетают в себе казалось бы несовместимые свойства: текучесть и способность реагировать на магнитное поле. Это оказывается возможным благодаря тому, что в жидкости взвешены наночастицы магнетита или других ферритов, обладающие значительным магнитным моментом и активно взаимодействующие с магнитным полем. Вскоре после синтезирования первых образцов магнитных жидкостей были проведены исследования их оптических свойств. Анализ литературных источников позволяет однозначно утверждать, что первой работой, в которой были проведены исследования двойного лучепреломления в коллоидных растворах наночастиц магнетита, является статья группы индийских ученых, опубликованная в 1968 г. в журнале Indian Journal Pure and Applied Physics [4]. Ранее считалось, что первым исследованием оптической анизотропии в магнитных жидкостях является работа Мартинэ [5], на самом деле опубликованная более, чем через пять лет после [4]. В конце 70-х годов XX века выходит ряд работ, в которых делаются попытки построить теоретическую модель оптической анизотропии в магнитных коллоидах с учетом особенностей магнетизма наноразмерных частиц [6-9]. В ряду этих работ стоит выделить исследование [6], проведенное на физико-математическом факультете Ставропольского государственного педагогического института В. В. Чекановым и Ю. Н. Скибиным. Благодаря плодотворному сотрудничеству с молодым теоретиком из Института механики сплошных сред АН СССР Ю. Л. Райхером, удалось построить и экспериментально подтвердить модель оптической анизотропии в магнитном поле, учитывающую суперпарамагнетизм наноразмерных частиц магнетита. Выбор для публикации работы Журнала экспериментальной и теоретической физики оказался весьма удачен, т. к. английская версия этого журнала Soviet Physics JETP издавалась Американским институтом физики и была доступна зарубежным ученым. В результате, работа [6] заслужила признание многих ученых с мировым именем и стала, пожалуй, наиболее цитируемой за рубежом работой исследователей ставропольской научной школы магнитных жидкостей.
Для объяснения эффекта оптической анизотропии различных образцах магнитных жидкостей в магнитном поле в разные годы предлагались следующие физические механизмы:
- ориентация отдельных частиц с постоянным магнитным моментом [4,7];
- ориентация однодоменных суперпарамагнитных частиц с небольшой несферичностью
- анизотропное пространственное распределение магнитных частиц [10];
- объединение отдельных частиц в цепочки под действием магнитного поля [11];
- ориентация малых агрегатов во внешнем поле [9];
- образование и рост вдоль направления поля кластеров из магнитных коллоидных частиц [12];
- деформация в магнитном поле микрокапельных агрегатов [13].
В 1985 г. на физико-математическом факультете Ставропольского пединститута был обнаружен уникальный эффект компенсации оптической анизотропии в магнитных коллоидах в скрещенных электрическом и магнитном полях [14-15]. Этот эффект не имеет аналогов в элек-тро-магнитооптике обычных (немагнитных) коллоидов, поскольку только в магнитных жидко-
[6,8];
Н Ерин К. В.
Оптическая анизотропия коллоидных растворов наноразмерных частиц магнетита.
стях значения эффектов двойного лучепреломления в электрическом и магнитном поле имеют одинаковый порядок величины. Была построена адекватная модель эффекта, которая позволила достаточно хорошо описать экспериментальные данные. Позднее обнаруженный эффект компенсации оптической анизотропии был успешно применен для разработки нового способа бесконтактного измерения напряженности электрического поля, который нашел применение в технике диагностики предпробойных состояний в жидких диэлектриках [16].
Исследования показали, что интерпретация экспериментальных данных кинетики двойного лучепреломления в слабоконцентрированных магнитных коллоидах в переменных и импульсных электрическом и магнитном полях невозможна без учета наличия в жидкости агрегатов частиц [17]. Наличие в слабоконцентрированных образцах магнитных коллоидов агрегатов частиц было подтверждено исследованиями методом фотонной корреляционной спектроскопии, выполненными на кафедре общей физики Ставропольского государственного университета группой под руководством бывшего декана физико-математического факультета проф. В. В. Падалки [18].
Из работ, выполненных в последнее время, стоит отметить исследования группы румынских ученых по оценке влияния поверхностно активных веществ и агрегативных процессов на оптическую анизотропию в магнитных коллоидах [19], а также плодотворную кооперацию ученых Института механики сплошных сред РАН и Парижского университета Марии и Пьера Кюри для исследований ориентационной динамики и суперпарамагнетизма малых частиц в магнитных коллоидах по данным двойного лучепреломления [20].
Общее количество работ, посвященных исследованию оптической анизотропии в магнитных коллоидах, уже давно перевалило за несколько сотен, тем не менее остаются не изученными еще достаточно много вопросов. Исследования оптических эффектов в магнитных коллоидах при воздействии электрического и магнитного полей продолжаются в настоящее время во многих лабораториях мира, в том числе и на физико-математическом факультете Ставропольского государственного университета, ученые которого стараются не утратить лидирующих позиций, завоеванных предшественниками.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kerr J. A new relationship between electricity and light: dielectrified media birefringent // Philosophical Magazine. - 1875. - S. 4., V. 5. - P. 336-348.
2. Бимс Дж. В. Двойное лучепреломление в электрическом и магнитном поле // Успехи физических наук. - 1933. - Т. 13. - № 2. - С. 209-252.
3. Розенцвейг Р. Феррогидродинамика /Пер. с англ. -М.: Мир, 1989. - 357 с.
4. Dave M. J., Mehta P. V., Shan H. S., Desai J. N., Naik Y. G. Optical transmission and birefringence of colloidal Fe3O4 in a magnetic field // Indian Journal Pure and Applied Physics. - 1968. - V.6. - №.7. - P. 364-366.
5. Martinet A. Birefringence et dichroism lineaire des ferrofluides sous champ magnetique //Rheologica Acta. - 1974. - V. 13. - № 2. - P. 260-264.
6. Скибин Ю. Н., Чеканов В. В., Райхер Ю. Л. Двойное лучепреломление в ферромагнитной жидкости // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1977. - Т. 72. - Вып. 3. - С. 949-955.
7. Neitsel U., Barner K. Optical measurements on ferromagnetic colloids // Physics Letters. - 1977. - V. 63. -№3. - P. 327-329.
8. Davies H. W., Llewellyn J. P. Magnetic birefringence of ferrofluids: I. Estimation of particle size // Journal of Physics D: Applied Physics. - 1979. - V. 12. - P. 311-319.
9. Scholten P. C. The origin of magnetic birefringence and dichroism in magnetic fluids // IEEE Transactions on magnetics. - 1980. - V. MAG-16. - № 2. - P. 221-225.
10. Майоров М. М., Цеберс А. О. Релаксация магнитного двойного лучепреломления и дихроизма золей ферромагнетиков //Коллоидный журнал. - 1977. - Т. 36. - №6. - С. 1087-1093.
11. Taketomi S. Magnetic Fluid's Anomalous Pseudo Cotton-Mouton Effects about 107 Times Larger than that of Nitrobenzene // Japanese Journal of Applied Physics. - 1983. - V. 22. - № 7. - P. 1137-1143.
12. Chikazumi S., Taketomi S., Ukita M., Mizukami M., Miyajima H., Setogawa M., Kurihara Y. Physics of magnetic fluids // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 1987. - V. 65. - P. 245-251.
63/2009
Вестник Ставропольского государственного университета
13. Диканский Ю. И., Ларионов Ю. А., Суздалев В. Н., Полихрониди Н. Г. Двойное лучепреломление в структурированной магнитной жидкости в сдвиговом течении // Коллоидный журнал. - 1998. -Т. 60, №6. - С. 753-756.
14. Чеканов В. В., Кожевников В. М., Падалка В. В., Скибин Ю. Н. Двулучепреломление магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях //Магнитная гидродинамика. - 1985. - № 2. - С. 79-83.
15. Кожевников В. М., Падалка В. В., Райхер Ю. Л., Скибин Ю. Н., Чеканов В. В. Оптическая анизотропия магнитной жидкости в скрещенных электрическом и магнитном полях // Известия АН СССР. Сер. физ. - 1987. - Т. 51. - № 6. - С. 1042-1048.
16. Падалка В. В. Взаимодействие коллоидных магнитных частиц с электрическим и магнитным полями: Дис... д-ра физ.-мат. наук. Ставрополь, 2004. - 359 с.
17. Падалка В. В., Ерин К. В. Изучение электрического двойного лучепреломления в коллоидах магнитных частиц //Коллоидный журнал. - 2001. - Т. 63. - № 3. - С. 389-393.
18. Yerin C. V., Padalka V. V. Influence of electric field upon the formation ofparticles cluster in magnetic fluid //Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2005. - V. 289. - P. 105-107.
19. Socoliuc V., Bica D. The influence of the degree of colloidal stabilization and concentration on the magnetic particle aggregation in ferrofluids //Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2002. - V. 252. - P. 26-28.
20. Raikher Yu. L., Stepanov V. I., Bacri J.-C., Perzynski R. Orientational dynamics of ferrofluids with finite magnetic anisotropy of the particles: relaxation of magneto-birefringence in crossed fields // Physical Review E. - 2003. - V. 66. - № 1203.
Об авторе
Ерин Константин Валерьевич, Ставропольский государственный университет, кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий сектором организации и планирования НИД СГУ. Сфера научных интересов - оптические методы исследования строения и свойств магнитных коллоидов. Автор более 60 научных работ. [email protected]
