Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей М В Авдеев

Поляризационный анализ в нейтронографии феррожидкостей М. В. Авдеев Лаборатория нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия

Феррожидкости (магнитные жидкости) Магнитные полидисперсные наночастицы, размер d = 2 -30 нм (однодоменное состояние магнитный момент на частицу ~103 -105 B суперпарамагнитное поведение) жидкий носитель оболочка ПАВ, толщина d = 1 -2 нм Совмещение текучести и магнитных свойств R. E. Rosenzweig, 1966 Широкое использование в технических устройствах

Суперпарамагнитные наночастицы Постоянное магнитное поле Переменное магнитное поле Намагничивание Ланжевена ~ 10 – 1000 k. Hz

Феррожидкости: технические приложения Сенсоры Акселерометры Вакуумные подшипники Индуктивные аэродинамические сенсоры Громкоговорители

Феррожидкости: медицинские приложения Основное направление – лечение рака Доставка лекарств Терапия Диагностика

Поляризационный анализ на феррожидкостях Анализ поляризации при рассеянии Hayter J, Pynn R Phys. Rev. Lett. 49 1103 (1982) Pynn R, Hayter J, Charles S W Phy. Rev. Lett. 51 710 (1983) Lebedev V T et al. Physica B 234 -236 525 (1997) Lebedev V T et al. Magnetohydrodynamics 38 271 (2002) Török Gy, Lebedev V T, Orlova D N Magnetohydrodynamics 38 (3) 277 (2002) Gazeau F, Boue F, Dubois E, Perzynski R J. Phys. : Condens. Matter 15 S 1305 (2003) Анализ деполяризации прошедшего пучка Itoh S, Endoh Y, Pynn R JMMM 73 L 1 (1988) Rekveld M Th In (Eds. Dormann J L, Fiorani D. ), Studies of Magnetic Properties of Fine Particles. Elsevier Science Publishers, 1992 Grigoriev S V, Eberbeck D, Runov V V Physica B 297 253 (2001) Zabenkin V N et al. Appl. Phys. A 74 S 710 (2002) Balasoiu M, Aksenov V L J. Optoelectronics Adv. Mater. 10 3322 (2008)

Нанодиагностика феррожидкостей Atomic structure Magnetic structure

Главные проблемы All levels contribute to scattering! Systems are strongly polydisperse! Задача: получить как можно больше экспериментальных зависимостей с сохранением структурных параметров системы

Мaлоугловое рассеяние нейтронов на феррожидкостях 1% MF magnetite/oleic acid/benzene , 1010 cm-2 7. 0 Н-solvent 2. 0 D-solvent M. V. Avdeev, V. L. Aksenov, Physics Uspekhi. 53 (2010) 971 D-solvents magnetic SLD 1. 0 0. 0 Магнитным рассеянием можно пренебречь(? ) magnetite surfactants Н-solvents

Вариация контраста H/D substitution 1% MF magnetite/benzene MA OA I(0) for OA, cm-1 I(0) for MA, cm-1 Oleic Acid stabilzation OA MA Rg 2, nm 2 Myristic Acid stabilization FLNP JINR – GKSS – CFATR M. V. Avdeev, V. L. Aksenov, Physics Uspekhi. 53 (2010) 971 ( )-1 10 -10, cm 2

Комплексная структурная характеризация ФЖ XRD (KCSR) Magnetite: co-precipitation reaction Coatings: oleic acid (OA ), C 18 -unsaturated lauric acid (LA), C 12 myristic acid (MA), C 14 palmitic acid (PA), C 16 stearic acid (SA), C 18 SAXS (KCSR) SANS (GKSS, BNC) Аксенов В. Л. , Авдеев М. В. и др. Кристаллография 56 848 (2011)

Комплексная структурная характеризация ФЖ XRD (KCSR) Magnetite: co-precipitation reaction Coatings: oleic acid (OA ), C 18 -unsaturated lauric acid (LA), C 12 myristic acid (MA), C 14 palmitic acid (PA), C 16 stearic acid (SA), C 18 SAXS (KCSR) SANS (GKSS, BNC) Аксенов В. Л. , Авдеев М. В. и др. Кристаллография 56 848 (2011)

МУРН в намагниченных органических МЖ: использование поляризованных нейтронов (SANSPOL) Магнетит ( m ~ 1 %), покрытый OК или MК кислотой в D-циклогексане I+, I-, H=0 I+, H=H I-, H=H OК MК GKSS Спин против поля Ядерный форм-фактор Itoh S et al JMMM 103 126 (1992) Спин по полю Магнитный форм-фактор Wiedenmann A J Appl Cryst 33 428 (2000)

МУРН в намагниченных МЖ: разделение ядерного и магнитного рассеяния ОК прямая подгонка МК прямая подгонка приближения Гинье GKSS Наличие сложных магнитных корреляций в разбавленных ( m < 2 %) органических неполярных МЖ при слабой корреляции в положении частиц! M. V. Avdeev, M. Balasoiu, V. L. Aksenov, et al. , J. Magn. Mater. (2004) М. В. Авдеев, УФН (2007)

Анализ ядерного рассеяния Модель «ядро-оболочка» s 1 R R 1 Информация о ядерном размере! OA - R 0 = 3. 4 нм; S = 0. 38; = 1. 38 нм ( = 3. 7 нм; = 1. 4 нм) MA - R 0 = 2. 3 нм; S = 0. 28; = 1. 35 нм ( = 2. 4 нм; = 0. 7 нм) Слой ПАВ M. V. Avdeev, D. Bica, L. Vékás, O. Marinica, M. Balasoiu, V. L. Aksenov, L. Rosta, V. M. Garamus, A. Schreyer, J. Mag. Mater. 311 (2007) 6 -9

Модуляция размера при смешанной стабилизации d-benzene + Fe 3 O 4 + MA/OA , m = 1. 1 % Nuclear scattering contribution. Solid lines are fits of the core-shell model. Resulting log-normal size-distribution functions.

Немагнитный поверхностный слой в магнитных наночастицах Удельная намагниченность наночастиц меньше, чем у объемного материала. Эффект принято объяснять образованием немагнитного поверхностного слоя. Однако прямое экспериментальное доказательство такого слоя отсутствует! Расчетные отклонения магнитных моментов от общей ориентации в ферритных наночастицах Ni. Fe 2 O 4 на поверхности. R. H. Kodama, et. al. , Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 394 Усиление эффекта связывают с наличием шероховатостей на поверхности наночастиц, что, однако, для многих магнитных частиц противоречит данным электронной микроскопии и малоуглового рассеяния нейтронов. Альтернативное объяснение – уменьшение удельной намагниченности по всему объему наночастицы.

Анализ магнитного рассеяния d-бензол + Fe 3 O 4 + OA, m > 1 % Модель «невзаимодействующие сферы» Rm m V. Aksenov, M. Avdeev, et al. J. Appl. Phys. 74 (2002) S 93 -S 94 M. V. Avdeev, M. Balasoiu, V. L. Aksenov, et. al. , J. Mag. Mater. 270 (2004) 371 -379 В отсутствие заметных корреляций в положении частиц наблюдается сильная корреляция магнитных моментов! Данный эффект не дает возможности определить напрямую магнитный размер частиц. Для жидкостей с меньшим размером частиц эта корреляция меньше!

Обратное Фурье-преобразование. Функция распределения парных расстояний d-бензол + Fe 3 O 4 + OA ядерные корреляции: оболочка ПАВ; магнетит магнитные корреляции m ~ 3 % магнитные корреляции m ~ 7 % Структура магнитных корреляций имеет сложный вид, связанный, по-видимому, с полидисперсностью частиц. M. V. Avdeev, M. Balasoiu, V. L. Aksenov, et. al. , J. Mag. Mater. 270 (2004) 371 -379

Электростатически-стабилизированный наномаггемит H+ H=2. 5 T + H+ H+ + H+ + HH + H Маггемит /цитрат-ионы/D 2 O, p. H = 7, 0. 01 M цитрат натрия Rg. M ~ 7. 2 nm Поляризация I+ , I− Rg. N ~ 10 nm SANS-1, GKSS N > M M. V. Avdeev, E. Dubois, R. Perzinsky, et al. , J Appl Cryst (2009)

Диполярные структуры в ФЖ Chain formation under MF Magnetorheological effect magnetite/oil OA coating stronger initial attraction MA coating weaker initial attraction Magnetorheological effect is enhanced by attractive interaction (in absence of magnetic field) ! No magnetorheological effect in perfect stabilized (e. g. alcohol-based) MFs!

Диполярные структуры в МЖ SANSPOL Magnetite/OA+oleylamine/decalin ~ 20 nm, m = 0. 4 % Крио-ПЭМ (T = 100 K) H=0. 2 T Klokkenburg M et al. Phys. Rev. E 75 051408 (2007) V 4, HMI Структурный фактор гексагональной упаковки

Магнитная вариация контраста Heinemann A, Wiedenmann A J. Appl. Cryst. 36 845 (2003) При H < H Co/oleoylsarkosin/toluene ~ 6. 4 nm, m = 1. 0 % Дополнительные выражения для подгонки с повышением точности Анализ сигнала только от магнитных частиц V 4, HMI

Нейтронография полидисперсных многокомпонентных коллоидных растворов Наличие однородной среды в отличие от твердых и мягких нанокомпозитов; промежуточное положение между монодисперсными и безчастичными системами Экономически обоснованы! Важна химия адсорбции; с практической точки зрения ограничения по C, T! Слабая «связь» с монодисперсными модельными системами!