Физики придумали как
скомбинировать свойства твердых постоянных магнитов (ферромагнетиков) и взвеси
магнитных частиц в жидкости, которая в целом является парамагнитной. Для этого
ученые разместили ферромагнитные наночастицы на поверхности капелек воды,
окруженных маслом. В таком случае можно придать каплям несимметричную форму, определяющую ее намагниченность, которая не будет пропадать при снятии внешнего
магнитного поля, то есть вещество будет вести себя как жидкий ферромагнетик,
пишут авторы в журнале Science.

Обычные постоянные магниты (например, железные) относятся к
ферромагнитным материалам. В присутствии внешнего магнитного поля спины
электронов в таких веществах могут упорядочиваться, при этом интенсивное
взаимодействие между спинами обеспечивает сохранность сложившейся конфигурации
и после выключения внешнего поля. Соответствующая физическая величина
называется намагниченность, и она остается постоянной, если не нагревать тело
выше точки Кюри — характерной для материала температуры, при которой тепловые возмущения
станут сильнее взаимодействия спинов и дезорганизуют их.

Существует также другой тип магнитных веществ —
парамагнетики. Эти материалы намагничиваются во внешнем поле, но не способны
сохранять это состояние в его отсутствии. К этому классу относится большинство
чистых элементов, также некоторые сложные вещества и смеси. В частности,
подобное поведение характерно для ферромагнитных жидкостей, то есть взвеси
микроскопических частиц с постоянной намагниченностью, так как такое вещество
не сохраняет намагниченность.

Получается, что сохранять намагниченность могут только
твердые тела, а менять форму можно только с ее потерей. Существует способ
удерживать намагниченность в ферромагнитной жидкости путем уменьшения
температуры или увеличения вязкости, но он не позволяет добиться истинного
постоянства. Это ограничивает потенциал магнитных жидкостей, которые нашли применение,
например, в виде магнитных пробок, но такие случаи являются лишь отдельными примерами.

В работе ученых из США и Китая под руководством Томаса
Рассела (Thomas Russell) из Пекинского университета химических технологий предлагается новый подход, позволяющий создать настоящий жидкий постоянный
магнит. Идея заключается в ограничении свободы движения наночастиц. Для этого
авторы растворяют магнитные наночастицы в воде, формируют из смеси капли и
впрыскивают в несмешивающееся с водой масло — оно содержит поверхностно-активное
вещество, которое заставляет частицы скапливаться на поверхности капли.

Полученная таким образом эмульсия обладает свойствами
настоящего магнита: если капли подвергнуть действию внешнего магнитного поля,
то их форма меняется со сферически-симметричной на вытянутую, причем выключение
поля не приводит к восстановлению формы, которая и определяет намагниченность.
Авторы подвергают полученное вещество циклическому перемагничиванию —
стандартному методу исследования магнитных материалов. В результате
оказывается, что эмульсия ведет себя подобно мягкому ферромагнетику, то есть
обладает слабой остаточной намагниченностью и узкой петлей гистерезиса.

Данный подход позволяет получить вещество,
обладающее всеми свойствами жидкости, но при это ферромагнитное, как и
твердые тела. Потенциально у данной разработки может быть масса применений.
Одним из направлений может быть робототехника, в которой исследование жидких
компонентов является актуальной темой. Преимуществом магнитных жидкостей
является то, что их можно привести в движении одним лишь магнитным полем, что намного
удобнее механических связей. С фундаментальной точки зрения открытие позволяет
создавать принципиально новые материалы, такие как ферромагнитные губки и
эластичные полимеры с постоянной намагниченностью.

Ранее физики нашли у трехслойного ферромагнетика переходное состояние магнитосопротивления, научились включать и выключать ферромагнетизм лазером и подобрали антиферромагнетикам применение в спинтронике.

Тимур Кешелава