Prvi primer urejene tekočine, ki je tudi magnet

dr. Alenka Mertelj (foto: IJS)
dr. Alenka Mertelj (foto: IJS)
dr. Alenka Mertelj (foto: IJS)

Avtorica: dr. Alenka Mertelj, raziskovalka in znanstvenica z Odseka za kompleksne snovi Instituta Jožef Stefan.

TEKOČEKRISTALNI MAGNET

Magnetizem je v trdnih snoveh dobro poznan, v tekočinah pa so ga do sedaj opazili le v dveh sistemih, v eni izmed faz supertekočega helija pri temperaturah blizu absolutne ničle [1] in v podhlajenih talinah zlitin feromagnetnih kovin pri temperaturah okoli 1000 Kelvinov [2].

Pred več kot 40 leti sta Nobelov nagrajenec Pierre de Gennes in njegova sodelavka Françoise Brochard-Wyar predlagala, da so suspenzije magnetnih nanodelcev v tekočem kristalu lahko magnetne pri sobni temperaturi [3]. V takem sistemu bi orientacijski red tekočega kristala povzročil orientacijsko urejenost podolgovatih ali ploščatih magnetnih delcev in, če bi bila magnetna sklopitev med delci dovolj velika, bi se lahko pojavila tudi magnetna urejenost. Navkljub poskusom mnogih raziskovalcev, nam je šele pred kratkim uspelo tak tekočekristalni magnet  narediti[4].

MAGNETI

Ena izmed značilnosti magnetnih snovi je, da jih lahko namagnetimo. Če damo kos železa v magnetno polje, bo po izklopu magnetnega polja deloval kot magnet, torej kot izvor magnetnega polja. Snovi, ki imajo to lastnost, so poimenovane po železu (latinsko ferrum), feromagneti ali kratko magneti. Usmerjenost magneta določimo kot smer magnetnega polja, ki ga ustvarja, in ga označimo s puščico, magnetnim momentom.  Tudi v nenamagnetenem kosu železa so področja, mnogo večja od osnovnih nosilcev magnetnih lastnosti, t.j. atomov, ki delujejo kot magnet. V njih so magnetni momenti atomov železa, ki si jih lahko predstavljamo kot majhne magnetke, urejene v isto smer. Taka področja imenujemo domene. Ločijo jih domenske stene. V nenamagnetenem kosu železa imamo veliko mikroskopskih domen, ki so poljubno orientirane, tako da se njihovo skupno magnetno polje izniči. Pri magnetenju te domene orientiramo v smeri zunanjega magnetnega polja.

TEKOČI KRISTALI IN MAGNETNE TEKOČINE

Tekoči kristali so tekočine podolgovatih molekul, ki se pri neki temperaturi uredijo tako, da vse molekule kažejo približno v eno smer.  Smer ureditve zlahka spreminjamo z  električno napetostjo in, ker je od smeri urejenosti odvisno tudi potovanje svetlobe skozi plast tekočega kristala, z napetostjo tako kontroliramo razširjanje svetlobe. To je osnova delovanja tekočekristalnih zaslonov sodobnih televizij in monitorjev. Običajni nematiki so neobčutljivi na majhna magnetna polja. Eden izmed možnih načinov povečanja odzivnosti tekočih kristalov na  magnetno polje je združiti lastnosti tekočega kristala z magnetno tekočino (ferofluidom).

Magnetne tekočine so stabilne suspenzije enodomenskih magnetnih nanodelcev v izotropni tekočini. Njihov močan odziv na magnetno polje se kaže v spektakularnih površinskih nestabilnostih (Slika 1). Magnetne nanodelce v tekočini si lahko predstavljamo kot nanomagnetke, ki se v odsotnosti zunanjega magnetnega polja prosto vrtijo v tekočini. Ker so nanomagnetki poljubno orientirani, magnetna tekočina ni tekoči magnet. Že majhno zunanje magnetno polje povzroči, da se nanomagnetki začnejo urejati.

Slika 1: Površinske nestabilnosti v običajni magnetni tekočini (vir)

kristal

Namesto zunanjega magnetnega polja lahko za urejanje nanomagnetkov uporabimo tudi tekoči kristal. Če so delci podogovati ali ploščati, se bodo v tekočem kristalu uredili v določeno smer. Smer je odvisna od tega, kako se molekule tekočega kristala uredijo na površini delca. Če se molekule na površini uredijo vdolž površine, se bodo podolgovati delci uredili vzdolž, os ploščatih pa  pravokotno na ureditev tekočega kristala. Če se molekule uredijo pravokotno na površino, bodo podolgovati delci usmerjeni pravokotno, simetrijska os ploščatih pa bo vzdolž ureditve molekul (Slika 2).

Slika 2: Ploščice (rdeče, pogled od strani) se v tekočem kristalu uredijo s svojo osjo v smeri ureditve tekočekristalnih molekul (modro). Okoli roba ploščic se pojavi linijski defekt (modre pike kažejo presek defekta).  Magnetni momenti ploščic (rdeče puščice) so obrnjeni v isto smer in snov je magnet. Oranžno se prikazane silnice magnetnega polja.

kristali2

To je bila ideja Brochardove in de Gennesa, ki so jo raziskovalci mnogo let neuspešno poskušali realizirati. Pri majhni koncentraciji se delci niso magnetno uredili in njihov vpliv na magnetne lastnosti mešanice je bil razmeroma majhen, če pa je bila koncentracija delcev večja, so se kljub surfaktantom sprijeli v večje skupke.

Poskuse so večinoma delali s podolgovatimi delci. Pri takih delcih nastopita dve težavi. Dva podolgovata magnetna delca se, podobno kot dva paličasta magneta, rada združita eden poleg drugega z nasprotnima poloma skupaj, tako da se njuno magnetno polje izniči. Druga težava je, da so elastične sile, ki jih posreduje tekoči kristal, šibke, in privlačna magnetna sila prevlada, kar vodi v nastanek skupkov.

POMEMBNA JE OBLIKA

Tem težavam smo se slovenski raziskovalci izognili z uporabo delcev barijevega ferita v obliki ploščic debeline okoli 5 nm in s povprečnim premerom 70 nm [4]. Delci so bili prevlečeni s surfaktantom, ki je zagotavljal, da se je tekoči kristal uredil pravokotno na njihovo površino.

Slika 3: Magnetne nanoploščice barijevega ferita dopiranega s skandijem posnete s TEM (D. Lisjak)

Screen Shot 2014-03-25 at 20.59.57

Da bi razumeli, zakaj so ploščati delci boljši, si najprej oglejmo nekaj lastnosti tekočekristalnih elastičnih sil. Okoli delcev se ureditev tekočega kristala deformira in to deformacijo drugi delci čutijo kot privlačno ali odbojno elastično silo. Simetrija deformacije določa, kako se bodo delci v tekočem kristalu porazdelili po prostoru, to je ali se bodo delci postavili v verige ali bodo diagonalno zamaknjeni. Na sliki 2 je shematično prikazano, kako se uredijo ploščati delci s površino, ki pravokotno ureja tekočekristalne molekule. Elastična sila, ki jo posreduje deformacija tekočega kristala, deluje v tem primeru tako, da so sosednji delci diagonalno zamaknjeni. Zaradi magnetne sile pa bi se ploščati delci radi združevali drug na drugega, pri čemer so njihovi magnetni momenti usmerjeni v isto smer. Ta nasprotni učinek obeh sil prepreči združevanje delcev, pri čemer so magnetni momenti delcev urejeni in sistem deluje kot tekočekristalni magnet (Slika 2).

MAGNETNE LASTNOSTI

Da smo dokazali magnetne lastnosti, smo mešanico tekočega kristala in nanodelcev napolnili med stekli, katerih površina je zagotavljala dobro paralelno ureditev tekočega kristala. Razdalja med stekli celice je bila okoli 20 mikronov. Gostota delcev je bila dovolj majhna, da so bile celice prozorne.

V celicah so nastala območja velikosti nekaj deset mikrometrov, v katerih so magnetni momenti delcev kazali vzdolž ureditve tekočega kristala, pri čemer so bila sosednja območja urejena nasprotno. To se lepo vidi s polarizacijskim mikroskopom (Slika 4). V odsotnosti magnetnega polja je slika vzorca pod polarizacijskim mikroskopom med prekrižanima polarizatorjema temna. Ko vklopimo zunanje magnetno polje vzdolž ureditve tekočega kristala, opazimo svetla in temna področja. V temnih področjih tekoči kristal ostane dobro urejen, v njih so magnetni momenti ploščic že urejeni v smeri polja. V svetlih območjih so bili prvotno magnetni momenti ploščic obrnjeni v nasprotni smeri. Polje je povzročilo, da so se ploščice obrnile ter s tem povzročile deformacijo ureditve tekočega kristala, kar se na slikah vidi kot svetle lise. Če polju obrnemo predznak, prej temna področja postanejo svetla in obratno. To obnašanje kaže , da imamo v suspenziji dva tipa domen.

Slika 4: Fotografije vzorca pod polarizacijskim mikroskopom. V odsotnosti magnetnega polja je slika temna (zgoraj levo), kar  kaže, da je tekoči kristal dobro urejen. Ko vklopimo magnetno polje vzdolž ureditve tekočega kristala, opazimo svetla in temna področja (zgoraj desno in spodaj levo). Če obrnemo predznak polja, prej temna področja postanejo svetla in obratno. Spodaj desno je shematski prikaz vzorca, pogled od strani. Širina fotografije ustreza 840 μm. P in A prikazujeta smeri polarizatorja in analizatorja ter n smer ureditve tekočega kristala.

KRISTA

Enodomenski vzorec lahko pripravimo tako, da ga ohladimo v tekočekristalno fazo v prisotnosti zunanjega magnetnega polja. Magnetizacijska krivulja takega vzorca kaže histerezo (Slika 5). Vsota magnetnih momentov delcev deljena s prostornino vzorca je magnetizacija vzorca. Ko je magnetno polje v isti smeri, kot je bilo uporabljeno pri pripravi vzorca, se magnetizacija sistema s poljem praktično ne spreminja. Če polju obrnemo predznak, se pri nekem kritičnem polju magnetizacija začenja zmanjševati in se pri večjih poljih čisto obrne. Ko polje postopno zmanjšujemo, ostane magnetizacija nespremenjena, kar kaže da smo obrnili magnetizacijo v celotnem vzorcu. Opazovanje tega pojava pod polarizacijskim mikroskopom  pokaže, da se popoln obrat magnetizacije zgodi s potovanjem površinskih domenskih sten.

Slika 5: Magnetizacijska krivulja enodomenskega vzorca za polje vzdolž direktorja. Fotografija kaže potek obrata magnetizacije na površinah vzorca, ki se zgodi s potovanjem površinskih domenskih sten, ki se na sliki vidita kot beli črti. Širina fotografije ustreza 440 μm.

magnet

ZAKLJUČEK IN IZGLEDI

Pokazali smo, da ima sistem značilne lastnosti feromagnetne snovi: v njem so domene in domenske stene, ki se lahko gibljejo, enodomenski vzorec nastane z ohlajanjem v zunanjem polju, ima magnetno histerezo in njegovo magnetizacijo lahko obračamo s spreminjanjem predznaka magnetnega polja.

Za uporabo je najpomembnejša lastnost nove kompozitne snovi močan magneto optični pojav. To pomeni, da podobno kot v običajnih tekočih kristalih, kjer na razširjanje svetlobe vplivamo z električnim poljem, lahko v tej snovi razširjanje svetlobe kontroliramo s šibkim magnetnim poljem.

Snov je zelo zanimiva tudi s stališča osnovne znanosti, saj je prvi primer urejene tekočine, ki je tudi magnet. Je tudi nove vrste multiferoik, saj je na njeno ureditev mogoče vplivati z električno napetostjo kot na običajne tekoče kristale in s tem posredno spreminjati tudi magnetne lastnosti.

 

Viri:

[1]       D. N. Paulson and J. C. Wheatley, Phys. Rev. Lett. 40, 557 (1978).

[2]       T. Albrecht, C. Bührer, M. Fähnle, K. Maier, D. Platzek, and J. Reske, Appl. Phys. A 65, 215 (1997).

[3]       F. Brochard and P. G. de Gennes, J. Phys. 31, 691 (1970).

[4]       A. Mertelj, D. Lisjak, M. Drofenik, and M. Čopič, Nature 504, 237 (2013).

[5]       D. Lisjak and M. Drofenik, Cryst. Growth Des. 12, 5174 (2012).

 

Več od Metina lista

Dan čakajoč na lastovice / Day, waiting for the swallows

25. april 2012 (sreda) Pomurje – Vlado Miheljak, Dnevnik (P) Sprenevedanje –...
Beri dalje