Наблюдение методом ЯМР гистерезиса намагниченности суспензии парамагнитных наночастиц

При измерении намагниченности магнитной суспензии методом вибрирующего образца было получено, что предварительное намагничивание суспензии в сильном поле приводит к увеличению ее намагниченности, измеряемой в более слабом поле [1, 2]. Погрешность измерения намагниченности методом вибрирующего образца составляет 240 А/м [2], поэтому представляет интерес провести аналогичный опыт с использованием для измерения намагниченности метода ЯМР, имеющего погрешность значительно меньше.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Исследовалась водная суспензия наночастиц магнетита, размером около 10 нм с объемной концентрацией твердой фазы 2.7 % и стабилизатором на основе олеиновой кислоты. Методом, описанным в [3], снимались кривые намагничивания суспензии — зависимости намагниченности I от напряженности внутреннего намагничивающего поля H_H . Результаты приведены на рис. 1, где кривая 1

Рис. 1. Экспериментальные зависимости намагниченности I суспензии наночастиц магнетита от напряженности H_H внутреннего намагничивающего поля без предварительного намагничивания суспензии ( ° , кривая 1), и после ее предварительного намагничивания в сильном поле ( • , кривая 2)

получена для тщательно перемешанной суспензии, а кривая 2 для этой же суспензии после ее пребывания в течение 20 минут в магнитном поле с индукцией 0.5 Тл. Кривая 2 проходит ниже кривой 1, т. е. предварительное намагничивание суспензии в сильном поле уменьшает ее намагниченность в слабом поле. Если после намагничивания в сильном поле суспензию перемешать, то эффект исчезает. Это показывает, что он связан с образованием структуры, которая разрушается при перемешивании.

АНАЛИЗ ПРИЧИН УМЕНЬШЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ

Если суспензия содержит неагрегированные парамагнитные наночастицы с магнитными моментами P ₀ и концентрацией n , то ее равновесная намагниченность в магнитном поле с напряженностью H_H определяется формулой Ланжевена:

I = I s

( P o M o ^H h )

( KT J ’

где La — функция Ланжевена, K — постоянная

Больцмана, Т — температура, IS — намагничен- ность насыщения.

По формуле (1), уменьшение I может быть следствием уменьшения IS или увеличения P0 . Какой из этих двух вариантов осуществляется на практике, определим из результатов эксперимента.

На начальных участках кривых

kA ^

< 5— I м J формула (1) имеет вид

I _ I S P^ h ,              (2)

3KT  H т. е. намагниченность I пропорциональна HH с коэффициентом пропорциональности α, зависящим от IS и P0 :

_a _ I S P 0 M o

3 KT

На рис. 2 приведены начальные участки кривых 1, 2 рис. 1. Прямые K1 и K2 представляют собой касательные к экспериментальным зависимостям 1, 2 при H_H <  5кЛ/м. Тангенсы углов наклона касательных к оси абсцисс, определенные методом наименьших квадратов, равны коэффициентам:

Рис. 2. Начальные участки экспериментальных зависимостей рис. 1.

K1, K2 — касательные, проведенные через точки ^о и • при H _H <  5кА/м

а 1 = 0.36, а 2 = 0.33. Сравнение а 1 и а 2 показывает, что предварительное намагничивание суспензии в сильном поле приводит к уменьшению произведения I_SP ₀ на 8.3 %.

При H_H >  15кА/м из (1)

I = I s 1

KT

—

V   ^Р0 № 0 H H

,

т. е. при--> 0, I стремится к намагниченности H H

1 насыщения I , а с ростом I уменьшается ли-S           HH dI      I KT нейно со скоростью —----- = —S---.

d ( 1 H h )     P) "

На рис. 3 приведены экспериментальные зависимости I от 1 H_H , построенные по данным кривых 1, 2 рис. 1 ( H_H >  15кА/м ) . Прямые П1, П2 проведены методом наименьших квадратов через экспериментальные точки, полученные без намагничивания (П1) и с намагничиванием (П2). Точка пересечения с осью ординат прямой П2 ( I S = 7070А/м) на 8.4 % ниже, чем прямой П1

( I S = 7720 А/м), а тангенс угла наклона прямой П2, равный 550 • 10 5 , на 8.3 % меньше, чем прямой П1, равный 500 •Ю⁵. Следовательно, предварительное намагничивание уменьшает величины I_S и I_S P ₀ на 8.4 % и на 8.3 % соответственно.

Итак, из эксперимента следует, что в результате предварительного намагничивания в сильном поле у суспензии наночастиц в близкой степени уменьшаются величины I_S , I_SP ₀ и I_S P ₀ . Это возможно, если уменьшается I_S , а величина P ₀ не меняется.

Уменьшение намагниченности I_S можно объяснить образованием антиферромагнитных конгломератов с замкнутым магнитным потоком. Возможность образования таких конгломератов отмечалась в [4]. B условиях описываемого опыта в таких конгломератах содержится около 8 % наночастиц. Неизменность P ₀ показывает, что в магнитном поле H_H независимо ориентируются магнитные моменты отдельных наночастиц, т. е. отсутствуют ферромагнитные конгломераты с устойчивой параллельной ориентацией магнитных моментов наночастиц.

Рис. 3. Экспериментальные зависимости намагниченности I от 1 H _H , построенные по экспериментальным результатам, приведенным на рис. 1, при H _H > >  15кА/м.

^о , П1 — без намагничивания;

• , П2 — после намагничивания

0     1     2     3     4     5     6     7     8     9     10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В [2] наблюдаемое на опыте увеличение равновесной намагниченности после пребывания парамагнитной суспензии в сильном магнитном поле сопровождалось расслоением, а при отсутствии расслоения гистерезис намагниченности замечен не был, видимо потому, что при этом изменение намагниченности было меньше погрешности метода измерений. Как показали вышеприведенные результаты, использование более чувствительного метода измерения намагниченности позволяет наблюдать гистерезис, вызванный обратимым образованием агрегатов с антиферромагнитным характером взаимной ориентации магнитных моментов наночастиц.