Исследование структуры магнитных коллоидов методами нейтронного рассеяния

• Автор: Воробьев, Алексей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Гатчина
• Количество страниц: 126 с. : ил

Оглавление
Введение
1 Общие сведения о магнитных коллоидах
1.1 Понятие коллоида
1.2 Магнитные коллоиды
1.3 Стабильность и статические свойства магнитного коллоида
1.3.1 Стабильность магнитного коллоида
1.3.2 Изготовление и виды магнитных коллоидов
1.3.3 Намагниченность магнитного коллоида
2 Магнитные коллоиды в физике твердого тела и технике. Обзор литературы
2.1 Внутренняя структура магнитных коллоидов
2.1.1 Теоретическое рассмотрение проблемы
2.1.2 Оптические исследования структуры магнитного коллоида .
2.1.3 Малоугловое рассеяние нейтронов в исследовании свойств магнитных коллоидов
2.1.4 Возможности рефлектометрических исследований структуры
поверхностей и интерфейсов
2.1.5 Вязкость и коэффициент диффузии
2.2 Неустойчивость поверхности магнитного коллоида в нормальном магнитном поле
2.2.1 Коллоидные кристаллы
2.3 Практическое применение магнитных коллоидов
3 Структура магнитного коллоида в объеме образца. Малоугловое рассеяние поляризованных нейтронов
3.1 Теоретические основы метода
3.2 Образец
3.3 Эксперимент
3.4 Обработка результатов измерений МУРПН
3.4.1 Коллимационные функции
3.4.2 Обработка данных рассеяния. Основные результаты

3.5 Измерение намагниченности феррожидкости по прецессии вектора поляризации
3.6 Обсуждение результатов
3.7 Заключение по главе
4 Структура феррожидкости вблизи границы раздела с монокристаллом кремния. Зеркальное и незеркальное рассеяние нейтронов
4.1 Теоретическое рассмотрение. Случай сильно разбавленной системы
4.2 Экспериментальная установка
4.3 Образцы
4.4 Блок образца для экспериментов по рассеянию нейтронов на границе феррожидкости с монокристаллом кремния
4.5 Процедура измерения и первичная обработка данных
4.6 Основные результаты
4.6.1 Упорядочение наночастиц в придонном слое магнитного коллоида согласно данным зеркального рассеяния нейтронов
4.6.2 Распределение частиц в придонном слое магнитного коллоида в зависимости от времени. Эффект внешнего поля
4.6.3 Диффузное рассеяние как показатель латеральной корреляции частиц
4.6.4 Магнитное упорядочение частиц вблизи интерфейса. Рефлек-тометрические измерения с поляризованными нейтронами
4.7 Заключение по главе
5 Исследование свободной поверхности магнитного коллоида
5.1 Стабильность поверхности магнитного коллоида в нормальном поле.
Теоретическое рассмотрение
5.2 Эксперимент
5.3 Данные рефлектометрических измерений
5.3.1 Тестовые измерения
5.3.2 Зеркальное и незеркальное рассеяние нейтронов на свободной поверхности магнитных коллоидов
5.3.3 Трактовка экспериментальных данных
5.3.4 Заключение по главе
6 Основные результаты и выводы работы.
А Характеристики некоторых промышленных магнитных жидкостей 116 В Список некоторых терминов

Введение
Магнитные коллоиды (МК) являются стабильными суспензиями малых ферромагнитных или ферримагнитных частиц в жидком носителе. Носителем могут служить как полярные, так и неполярные жидкости, в качестве которых применяются вода, органические жидкости (керосин, тетрадекан и т.п.), а также сложные неорганические жидкости.
Основными особенностями данной системы являются следующие. Характерный размер частиц, обычно сферических, составляет порядка 10 нм. Каждая частица содержит только один магнитный домен, поскольку при таких малых размерах образование доменных стенок энергетически невыгодно. Частицы защищены от коагуляции осажденным слоем поверхностно-активного вещества (молекулы жирных кислот) или двойным ионным слоем. В первом случае стабильность ансамбля частиц обеспечивается за счет стерического механизма отталкивания, во втором - электростатического. Количество частиц в 1 мл для МК с объемной концентрацией магнитной фазы 5% составляет 1017.
Во внешнем магнитном поле МК перемещается как однородная субстанция, без разделения на твердую и жидкую фазу. Таким образом, искусственно созданные магнитные коллоиды, являясь по сути суперпарамагнетиками, могут рассматриваться как наиболее близкое приближение к ферромагнетику в жидкой фазе, до сих пор экспериментально не обнаруженному. Сильные магнитные свойства МК в совокупности со свойствами обычной жидкости делают данную систему чрезвычайно привлекательной для промышленного применения в целом ряде технологических процессов.
Стабильность МК обеспечивается тонким балансом различного рода сил, действующих на магнитные частицы, т.е. конкуренцией диполь-дипольного, Ван-дер-Ваальсова, гравитационного и магнитного взаимодействий с тепловым движением, обеспечивающим равномерное распределение частиц по объему МК. Дипольные силы ведут к сильным корреляциям среди вращательных и трансляционных степеней свободы, благодаря чему становятся возможными флуктуации, как плотности числа частиц, так и флуктуации намагниченности. В результате развития флуктуаций равновесие в магнитной жидкости может смещаться в ту или иную сторону, что приводит к организации частиц в структуры с ферромагнитным и анти-ферромагнитным порядком, цепочечные и каплеобразные агрегаты, фрактальные структуры. Неустойчивость магнитных жидкостей интересна для теоретических исследований, поскольку МК является прекрасной моделью системы многих тел. При этом всегда существует возможность подтвердить либо опровергнуть теорию в реальных экспериментах.
Мотивация. Несмотря на обилие теоретических и экспериментальных работ

0.44 0.42 0

ь 0.006 о ж ю
§ О.ОООд

н я я
0.0004 0.0
-0.04 -0.02 0.00 0.02 0.
£2х,рад
Рис. 3.7: Результат фитирования проекции прямого пучка на горизонтальную плоскость. Символами • показаны экспериментальные данные, пунктирная линия - аппроксимация функцией (3.5), сплошная линия - аппроксимация Гауссианом.
слишком большим, что не позволит судить о правильности выбранной модельной функции рассеяния. При таком описании может возникнуть неправильное представление о самой интенсивности рассеянного образцом пучка, которая в диапазоне углов ±(0.005 -т- 0.01) рад, оказывается меньше. Это в свою очередь, меняет значения подгоночных параметров при фитировании кривых рассеяния. Например, значение ширины кривой рассеяния в данном эксперименте без учета вклада крыльев пучка отличается на 10 процентов от величины, полученной с учетом этого вклада.
По этим причинам были предприняты попытки более точного описания горизонтальной функции разрешения. Наилучшим образом это удалось сделать функцией вида:
ИЦЩ = (-<«■ ) + _п±-.—, +С (3.5)
Здесь первый член - обычно используемый для описания пучков Гауссиан (А -амплитуда, Ах - полуширина, 12і0і - центрирующий параметр), второй член -квадрированный Лоренциан, описывающий крылья пучка (В - амплитуда, к -ширина, Пхо2 - центрирующий параметр), третий - фон. Существование второго члена обусловлено диффракцией на краях устройств, формирующих пучок. Результат фитирования экспериментальных данных функцией (3.5) представлен на Рис. 3.7 (пунктирная линия). Как видно, пучок несимметричен, т.е. Пхоі Ф причем центрирующий параметр Пх02 хорошо определен (с погрешностью не более