Структурированные среды на основе магнитных коллоидов как перспективный материал для магнитоуправляемых оптических элементов

Белых С.С., Ерин К.В., Закинян А.Р., Закинян А.А.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Закинян А.А., Белых С.С., Закинян А.Р., Ерин К.В. Структурированные среды на основе магнитных коллоидов как перспективный материал для магнитоуправляемых оптических элементов // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 3. С. 61–71. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-03-61-71

Zakinyan A.A., Belykh S.S., Zakinyan A.R., Yerin K.V. Structured media based on magnetic colloids as a promising material for magnetically controllable optical elements [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2021. V. 88. № 3. P. 61–71. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-03-61-71

Ссылка на англоязычную версию:

A. A. Zakinyan, S. S. Belykh, A. R. Zakinyan, and K. V. Yerin, "Structured media based on magnetic colloids as a promising material for magnetically controllable optical elements," Journal of Optical Technology. 88(3), 158-165 (2021). https://doi.org/10.1364/JOT.88.000158

Аннотация:

Исследованы магнитооптические эффекты в магнитных эмульсиях с низким межфазным натяжением на основе авиационного гидравлического масла, а также в магнитных коллоидах с развитой системой агрегатов наночастиц. Обнаружен эффект изменения прозрачности в продольном магнитном поле, которым можно управлять изменением напряженности и ориентации магнитного поля. В поперечном поле продемонстрирован эффект анизотропного дифракционного рассеяния света на нерегулярной и регулярной системах вытянутых вдоль поля микрокапель. Получены дифракционные картины, перестраиваемые путем регулирования отношения компонент вращающегося магнитного поля. Сделан вывод о перспективности использования магнитных эмульсий и магнитных коллоидов с концентрированными агрегатами наночастиц в качестве материалов для магнитоуправляемых оптических элементов.

Ключевые слова:

магнитные эмульсии, агрегаты, магнитооптические эффекты, дифракция света, управляемое светопропускание, деформация микрокапель, ориентированные структуры

Благодарность:

Работа выполнена при поддержке государственного задания Минобрнауки России на выполнение научно-исследовательских работ (проект №0795-2020-007).

Коды OCIS: 160.3820; 230.3810; 230.1950; 290.2200

Список источников:

1. Zahn M. Magnetic fluid and nanoparticle applications to nanotechnology // J. Nanopart. Res. 2001. V. 3. P. 73–78.
2. Odenbach S. Magnetic fluids // Adv. Coll. Int. Sci. 1993. V. 46. P. 263–282.
3. Philip J., Laskar J.M. Optical properties and applications of ferrofluids. A review // J. Nanofluids. 2012.V. 1. P. 3–20.
4. Орлов Д.В., Михалев Ю.О., Мышкин Н.К. Магнитные жидкости в машиностроении. М.: Машиностроение, 1993. 268 с.
5. Saga N., Nakamura T. Elucidation of propulsive force of microrobot using magnetic fluid // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. Р. 7003.
6. Mahendran V., Philip J. Nanofluid based optical sensor for rapid visual inspection of defects in ferromagnetic materials // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 100. Р. 073104.
7. Hesselbach J., Abel-Keilhack C. Active hydrostatic bearing with magnetorheological fluid // J. Appl. Phys. 2003. V. 93. Р. 8441.
8. Pu S., Chen X., Chen L., Liao W., Chen Y., and Xia Y. Tunable magnetic fluid grating by applying a magnetic field // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87. Р. 021901.
9. Nair S.S., Thomas J., Sandeep C.S.S., Anantharaman M.R., and Philip R. Enhanced optical limiting in nanosized mixed zinc ferrites // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. Р. 171908.
10. Pu S., Chen X., Di Z., and Xia Y. Relaxation property of the magnetic-fluid-based fiber-optic evanescent field modulator // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. Р. 053532.

11. Das P., Colombo M., Prosperi D. Recent advances in magnetic fluid hyperthermia for cancer therapy // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2019. V. 174. P. 42–55.
12. Macaroff P.P., Simioni A.R., Lacava Z.G.M., Lima E.C.D., Morais P.C., Tedesco A.C. Studies of cell toxicity and binding of magnetic nanoparticles with blood stream macromolecules // J. Appl. Phys. 2006. V. 99. Р. 08S102.
13. Davies H.W., Llewellyn J.P. Magneto-optic effects in ferrofluids // J. Phys. D. 1980. V. 13. P. 2327–2336.
14. Ерин К.В. Магнитооптические исследования агрегатов наночастиц в коллоидных растворах магнетита // Опт. спектр. 2009. Т. 106. № 6. С. 945–949.
15. Jennings B.R., Xu M., and Ridler P.J. Ferrofluid structures: A magnetic dichroism study // Proc. R. Soc. Lond. A. 2000. V. 456. P. 891–907.
16. Xu M., Ridler P.J. Linear dichroism and birefringence effects in magnetic fluids // J. Appl. Phys. 1997. V. 82. P. 326–332.
17. Donatini F., Neveu S., Monin J. Measurements of longitudinal magneto-optic effects in ferrofluids: Dynamical method // J. Magn. Magn. Mater. 1996. V. 162. P. 69–74.
18. Martin J.E., Hill K.M., and Tigges C.P. Magnetic-field-induced optical transmittance in colloidal suspensions // Phys. Rev. E. 1999. V. 59 (5 B). P. 5676–5692.
19. Philip J., Laskar J.M., and Raj B. Magnetic field induced extinction of light in a suspension of Fe3O4 nanoparticles // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. Р. 221911.
20. Ерин К.В., Куникин С.А. Изменение интенсивности рассеяния света в коллоиде магнетита при одновременном воздействии электрического и магнитного полей // Опт. спектр. 2007. Т. 102. № 5. С. 843–848.
21. Yerin C.V., Vivchar V.I. Ellipsometry of magnetic fluid in a magnetic field // J. Magn. Magn. Mater. 2020. V. 498. Р. 166144.
22. Odenbach S. Microstructure and rheology of magnetic hybrid materials // Arch. Appl. Mech. 2016. V. 86. P. 269–279.
23. Zakinyan A.R., Dikansky Y.I. Effect of microdrops deformation on electrical and rheological properties of magnetic fluid emulsion // J. Magn. Magn. Mater. 2017. V. 431. P. 103–106.
24. Subbotin I.M., Ivanov A.O. Weak field magnetic susceptibility of ferrofluid emultions: The influence of droplet polydispersity // Magnetohydrodynamics. 2016. V. 52. № 1. P. 269–276.
25. Диканский Ю.И., Гладких Д.В., Куникин С.А., Золотухин А.А. О возможности магнитного упорядочения в коллоидных системах однодоменных частиц // ЖТФ. 2012. Т. 82. Вып. 5. С. 135–139.
26. Dikansky Y.I., Gladkikh D.V., Zakinyan A.A., Ispiryan A.G., Zakinyan A.R. Magnetic and structural properties of magnetic colloids with a well-developed system of magnetized aggregates // J. Molecular Liquids. 2020. V. 319. Р. 114171.
27. Haas W.E.L., Adams J.E. Diffraction effects in ferrofluids // Appl. Phys. Lett. 1975. V. 27. № 10. P. 571–572.
28. Bacri J.-C., Salin D. Optical scattering on ferrofluid aggregates // J. Phys. Lett. 1982. V. 43. № 22. Р. L771.
29. Liu J., Lawrence E.M., Wu A., Ivey M.L., et al. Field-induced structures in ferrofluid emulsions // Phys. Rev. Lett. 1995. V. 74(14). P. 2828–2831.
30. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Ермолаев С.А. Дифракция света на агломератах слоя магнитной жидкости в магнитном поле // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. № 3. С. 64–66.
31. Усанов Д.А., Скрипаль А.В. Анизотропное рассеяние поляризованного света в слое магнитной жидкости // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. № 17. С. 7–10.
32. Davies P., Popplewell J., Liewellyn J.P., Grady K.O. Diffraction effects in magnetic fluid composites // J. Phys. C: Solid State Physics. 2000. V. 18. № 21. P. L661.
33. Усанов Д.А., Постельга А.Э., Бочкова Т.С., Гаврилин В.Н. Динамика агломерации наночастиц в магнитной жидкости при изменении магнитного поля // ЖТФ. 2016. Т. 86. № 3. С. 146–148.
34. Radha S., Mohan S., Pai C. Diffraction patterns in ferrofluids: Effect of magnetic field and gravity // Physica B: Condensed Matter. 2014. V. 448. P. 341–345.
35. Li J., Liu X., Lin Y., Bai Lang, Li Q., et al. Field modulation of light transmission through ferrofluid film // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91. Р. 253108.
36. Chung M.-F., Chou S.E., and Fu C.-M. Time-dependent dynamic behavior of light diffraction in ferrofluid // J. Appl. Phys. 2012. V. 111. Р. 07B333.
37. Malynych S.Z., Tokarev A., Hudson S., Chumanov G., Ballato J., Kornev K.G. Magneto-controlled illumination with opto-fluidics // J. Magn. Magn. Mater. 2010. V. 322. P. 1894–1897.

38. Parekh K., Patel R., Upadhyay R.V., Mehta R.V. Field induced diffraction patterns in a magneto-rheological suspension // J. Magn. Magn. Mater. 2005. V. 289. P. 311–313.
39. Turek I., Stelina J., Musil C., Timko M., Kopcansky P., Koneracka M., Tomco L. The effect of self-diffraction in magnetic fluids // J. Magn. Magn. Mater. 1999. V. 201. P. 167–169.
40. Диканский Ю.И., Бондаренко Е.А., Рубачева В.И. Дифракция света на структурных образованиях в магнитной жидкости // Тез. докл. 13-ого Рижского совещания по магнитной гидродинамике. Ч. 3. Магнит. жидкости. Саласпилс, 1990. С. 15–16.
41. Диканский, Ю.И., Ачкасова Е.А., Полихрониди Н.Г. Дифракционное рассеяние света структурированными магнитными жидкостями в сдвиговом течении // Колл. журн. 1995. Т. 57. № 1. С. 113–116.
42. Belykh S.S., Yerin C.V. Magneto-optic effect in water-based magnetic emulsion // Magnetohydrodynamics. 2018. V. 54. № 1–2. С. 5–10.
43. Белых С.С., Ерин К.В. Эффект изменения прозрачности магнитной эмульсии при воздействии магнитного и гидродинамического полей // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83. № 7. С. 962–965.
44. Jianping Ge, Yongxing Hu, Yadong Yin. Highly tunable superparamagnetic colloidal photonic crystals // Angewandte Chemie Int. Ed. 2007. V. 46. P. 1–5.
45. Лопатин В.Н., Приезжев А.В. Апонасенко А.Д. и др. Методы светорассеяния в анализе водных дисперсных биологических сред. М.: Физматлит, 2004. 384 с.
46. Muhlenweg H., Dan Hirleman E. Laser diffraction spectroscopy: Influence of particle shape and a shape adaptation technique // Particle & Particle System Characterization. 1998. V. 15. P. 163–169.
47. Никитин С.Ю., Луговцов А.Е., Приезжев А.В. К проблеме видности дифракционной картины при лазерной дифрактометрии эритроцитов // Квант. электрон. 2010. Т. 40. № 12. С. 1074–1076.
48. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Физматлит, 2003. 848 с.
49. Поршнев С.В. Компьютерное моделирование физических процессов в пакете MATLAB. СПб.: Лань, 2011. 736 с.