Магнітна нанодисперсія

Корисна модель відноситься до області нанотехнологій і може бути використана для отримання магніточутливої рідини для технічного і медичного застосування. Проблема створення магнітної рідини з високою і контрольованою стабільністю полягає в тому, що необхідно стабілізувати дисперсний магнітний носій з високими магнітними характеристиками безпосередньо в рідині. Наночастинки (від 1-2 до 30-100нм) є особливим станом, який відрізняється тим, що кількість поверхневих атомів порівнянна з кількістю атомів усередині частинки. Це обумовлює високу хімічну активність таких частинок і їх особливі фізичні властивості. Зокрема, наночастинки магнітних металів і сплавів, будучи однодоменними, володіють високою намагніченістю і магнітною анізотропією і у ряді випадків можуть володіти високою коерцитивною силою і зберігати магнітні властивості до високих температур. Займаючи проміжне положення між молекулами і звичайними дисперсними системами (з розміром частинок від декількох мікрон до долей мікрону), наночастинки можуть легко стабілізуватися як в рідкій, так і в газовій фазах. Для їх підтримки в цих фазах зазвичай в якості потенційних лігандів використовують речовини, що є одночасно активними стабілізаторами. Відомі магніточутливі рідини [Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник. Под ред. Г.С.Самойловича. - М.: Машиностроение, 1976, 456с.; Магнитные жидкости. Б.М.Берковский, В.Медведев, М.С.Краков. - М.: Химия, 1989, 240с.] Недоліком відомих магнітних рідин є складна і тривала технологія їх отримання. Відома магнітна рідина, що містить магнетит, гас, олеїнову кислоту і мінеральне масло в певних пропорціях [Авторское свидетельство СССР №1633348; кл. 5 G01N27/84, 5 G01N27/85, 1991]. Недоліком відомої магнітної рідини є необхідність проведення диспергування і застосування великої кількості компонентів. Відома магніточутлива рідина для візуалізації магнітних полів, що містить в якості магніточутливого елементу дрібнодисперсний ферит марки "НМС", отриманий шляхом механічного дроблення з помелом частинок 10-3мм, який в об'ємі 2-3% помішується в середовище трансформаторного масла 10-15% від загального об'єму. Отримана маса ретельно перемішується з додаванням дизельного палива марки "А" до повного об'єму [Патент России №2313085. Cпособ получения магниточувствительной жидкости для визуализации магнитного поля. МПК G01N27/84 (2006.01). Опубл. 2007.12.20]. Недоліком відомої магнітної рідини є вміст в ній токсичних речовин і застосування великої кількості компонентів. Відома магнітна рідина, що містить рідку фазу, піноутворювач і наночастинки магнітного матеріалу, стабілізовані молекулами поверхнево-активної речовини, при цьому в якості магнітного матеріалу вона містить наночастинки фериту барію або магнітотвердих складів типа Nd-Fe-B, Sm-Co, Sm-Fe з розміром частинок 2-30нм в кількості від 2 до 30ваг. %, що забезпечують взаємодію піни із зовнішнім магнітним полем [Патент России №2182579. Mагнитные пены. МПК7 C08J9/00, С09КЗ/32. Опубл. 2002.05.20.] Недоліком відомої магнітної рідини є застосування великої кількості компонентів. Відома магнітна рідина на основі водного або органічного розчину олігомерів, здатних до подальшої полімеризації, поліконденсації, різних цільових добавок (ініціаторів, каталізаторів), піноутворюючих речовин, наночастинок магнітного матеріалу (Fe, CO, Ni, магнітний окисел заліза - Fе3О4, Y- Fе2О3) з розміром не більше 40нм, поверхнево-активної речовини. Пористі стінки такої отриманої пінистої маси містять частинки магнітного матеріалу, стабілізовані поверхнево-активною речовиною [Патент DD №299469, МПК З08J9/00, 23.04.92]. Недоліком відомої магнітної рідини є застосування великої кількості компонентів. Відома магнітна нанодисперсія - магнітокерований сорбент (МУС-Б) для обробки крові, що є колоїдними частинками магнетиту (Fе3О4) розміром в інтервалі 6-12нм [Патент UA №24322А, Cорбент для екстракорпоральної детоксикації біологічних рідини, МПК A61N2/00, опубл. 17.07.1998.] Недоліком відомої магнітної нанодисперсії є вузька область застосування, обмежена сорбентами. Відома магнітна нанодисперсія, що містить покриті плівкою оксиду частинки магнітного металу, стійко дисперговані в розчиннику, в якій частинки магнітного металу мають середній діаметр частинок від 5 до 20нм, а плівка оксиду має товщину від 0,01 до 2нм [Евразийский патент ЕА 001645В 1. Магнитная жидкость и способ ее получения. МПК7 H01F1/28; H01F1/34. Опубл. 25.06.2001]. Недоліком відомої магнітної нанодисперсії є складна і тривала технологія її отримання. Відома магнітна нанодисперсія для високочастотних і надвисокочастотних радіотехнічних застосувань, яка містить рівномірно розподілені в полімерній матриці магнітоупорядковані однодоменні наночастинки, що формуються в матриці в процесі виготовлення матеріалу і мають хімічний зв'язок з матеріалом матриці. Магнітні наночастинки містять 3d перехідні метали Fe, Co, Ni, Mn, Cr, рідкоземельні метали (підгрупа лантану), їх оксиди або комбінації вказаних металів або оксидів, а також вуглець, азот, кремній, германій і бор, а розмір наночастинок може лежати в діапазоні від 1 до 30нм [Заявка России №2001134194. Магнитный полимерный материал для радиотехнических изделий. МПК 7 H01F10/00. Опубл. 2003.07.27]. Недоліком відомої магнітної рідини є застосування великої кількості компонентів, а також вузька область застосування, обмежена високочастотними і надвисокочастотними радіотехнічними пристроями. Найбільш близькою до тієї, що заявляється, є магнітна дисперсія на основі води і магнітних наночастинок, диспергованих і стабілізованих в ній, в якій магнітні наночастинки складаються з магнітних ядерних частинок з розмірами від 3 до 300 нм і оболонки загальної формули М[Ар, С, Bq], де М є магнітними ядерними частинками, А є реакційними групами, В є біологічно активними групами і С є циклодекстринами, що складаються з 1,4-зв'язаних одиниць глюкози (С6Н7О5) m[(3H)m-(p+q)], де m = від 6 до 12, р є кількістю груп А, рівне від 1 до 3m, і q є кількістю груп В, рівне 3m-р [Заявка России № 2004111602. Mагнитная нанодисперсия, содержащая циклодекстрины, и способ ее получения. МПК 7 С09С1/00. Опубл. 2005.10.20] Недоліком відомої магнітної нанодисперсії є складність технології її отримання, а також низька екологічна чистота магнітної нанодисперсії, оскільки в оболонках наночастинок в якості речовини-стабілізатора містяться реакційні групи, біологічно активні групи і циклодекстрини. Це звужує область її застосування. В основу корисної моделі поставлена задача спрощення технології отримання магнітної нанодисперсії, підвищення її екологічної чистоти і, на цій основі, розширення області її застосування. Це досягається тим, що магнітна нанодисперсія складається тільки з води і наночастинок і не містить додаткових речовин-стабілізаторів, а її стабілізація здійснюється гідратацією наночастинок. Запропонована, як і відома магнітна нанодисперсія містить воду і магнітні наночастинки, розміри наночастинок в ній складають від 3нм до 300нм, а матеріалом наночастинок є 3d перехідні метали Fe, Co, Ni, Mn, Cr і, відповідно до цієї пропозиції, магнітні наночастинки мають електричний поверхневий заряд, гідратовані молекулами води, які утворюють наногідратні оболонки навколо магнітних наночастинок, при цьому магнітні наночастинки отримані диспергуванням гранул перехідних металів імпульсами електричного струму у воді. Наявність поверхневого електричного заряду у магнітних наночастинок створює умови для їх гідратування диполями води, що забезпечує стійкість нанодисперсії без додаткових речовин-стабілізаторів. Це підвищує екологічну чистоту магнітної нанодисперсії. Магнітні наночастинки гідратовані молекулами води, що сприяє їх легкому розчиненню у воді. Гідратування здійснюють за допомогою створення навколо наночастинок водної оболонки в процесі диспергування металевих гранул імпульсами електричного струму. Відомо, що гідратовані наночастинки володіють рядом переваг в порівнянні з неорганічними солями: вони менш токсичні, стійкі у всьому діапазоні рН, легко розчинні у воді [див. Арсентьева И.П. Використання біологічних активних препаратів на основі наночасток металів в медицині і сільському господарстві. Доповідь на нараді: «Індустрія наносистем і матеріали: оцінка нинішнього стану і перспективи розвитку». Москва, Центр «Відкрита економіка». Опубл. 07.02.2006]. Молекули води утворюють наногідратні оболонки навколо магнітних наночастинок, що підвищує стійкість нанодисперсії. Оскільки міцели нанодисперсії утворені електрично зарядженими магнітними наночастинками, які гідратовані полярними молекулами води, то нанодисперсія стає стійкою за рахунок дії кулонівських сил. У зв'язку з цим відпадає необхідність застосування спеціальних речовин-стабілізаторів, що спрощує отримання нанодисперсії і підвищує її екологічну чистоту. Магнітні наночастинки отримують диспергуванням гранул перехідних металів імпульсами електричного струму у воді. Це дозволяє отримувати магнітну нанодисперсію в одностадійному процесі, що спрощує технологію отримання магнітної нанодисперсії. Магнітну нанодисперсію отримують диспергуванням металевих гранул, що знаходяться у воді [див. Патент України на корисну модель № 23550. Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів. МПК B22F9/14. Опубл. 25.05.2007. Бюл. №7]. При проходженні через ланцюжки металевих гранул імпульсів електричного струму, в яких енергія імпульсів перевищує енергію сублімації випарованого металу, в точках контактів металевих гранул одна з одною виникають іскрові розряди, в яких здійснюється вибухоподібне диспергування металу. Ділянки поверхні металевих гранул в зонах іскрових розрядів плавляться і вибухоподібно руйнуються на найдрібніші нанокраплі і пару. Розплавлені нанокраплі металу, знаходячись у вільному польоті, набувають сферичної форми. Продукти руйнування охолоджуються в деіонізованій воді, де здійснюється фіксація сферичної форми наночастинок. У деіонізованій воді накопичується частинки в зваженому стані, утворюючи нанодисперсію магнітних наночастинок. Оскільки в зоні іскрових розрядів має місце високий градієнт потенціалу, то наночастинки за час знаходження в електричному полі набувають поверхневого електричного заряду. Оскільки молекули води є диполі, то вони за рахунок електростатичного поля обволікають електричне заряджені наночастинки металу, утворюючи наногідратні оболонки навколо магнітних наночастинок. Це призводить до формування гідратованих магнітних наночастинок, що складаються з металевих наночастинок, оточених диполями води. Щільному оточенню наночастинки диполями води сприяє сферична форма наночастинок і рівномірний електричний заряд їх поверхні. За рахунок гідратування металевих наночастинок диполями води магнітна нанодисперсія стає стійкою без додавання спеціальної речовини-стабілізатора. Стійкість магнітній нанодисперсії додають кулонівські сили, що виникають між поверхнею заряджених магнітних наночастинок і диполями води. Це спрощує технологію отримання нанодисперсії. В результаті магнітна нанодисперсія є двофазною системою, що складається з магнітних наночастинок і води і не містить речовин-стабілізаторів, які, як правило, знижують екологічну чистоту продукту.