Программа «Мастерские инноваций» ФИОП РОСНАНО и МГУ имени М.В. Ломоносова подвели итоги конкурса «Моя лаборатория». Мы с удовольствием публикуем лучшие работы.
«… глаз меньше ошибается, чем разум»
― Леонардо да Винчи, Суждения о науке и искусстве
Краткое содержание
Речь пойдет о работе научной группы, входящей в состав 111 лаборатории физико-химической гидродинамики НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова (заведующий лабораторией – д.ф.-м.н. Виталий Александрович Полянский). Руководит этой научной группой профессор, д.ф.-м.н. Налетова Вера Арсеньевна, помимо которой в группу входят три к.ф.-м.н., два научных сотрудника, один аспирант и два студента. Мы занимаемся математическим моделированием и экспериментальным исследованием поведения магнитных жидкостей.
Введение
Когда мои друзья спрашивают меня, почему я занимаюсь магнитными жидкостями, я честно отвечаю: потому что это красиво. В конце второго курса студенты механико-математического факультета МГУ встречаются с непростым выбором кафедры, на которой им предстоит провести следующие года до окончания учебы. На мехмате выбор велик: 18 кафедр на отделении математики, начиная от математической логии с теорией чисел и заканчивая динамическими системами, а также 9 кафедр отделения механики со всевозможными видами теоретической механики и механики сплошных сред. Студенты ходят на встречи с профессорами разных кафедр, слушают их рассказы о работе, науке, жизни, выпрашивают советов у старшекурсников. Бытует мнение, что нужно выбирать не кафедру, а научного руководителя. В моем случае все пошло совсем по другому сценарию, так как я выбрала объект исследования: загадочный и красивый.
Я хорошо помню тот вечер, когда мы пришли в небольшую аудиторию на шестнадцатом этаже главного здания МГУ на встречу с кафедрой гидромеханики. В аудитории почему-то собралось много студентов, и нечем было дышать. В какой-то момент В.А. Налетова, мой будущий научный руководитель, начала нам показывать фотографии и видео непонятной мне субстанции, прекрасной и беспрекословно слушающейся магнитного поля. Эта жидкость сразу же напомнила мне разумный океан планеты Солярис из одноименного фильма Андрея Тарковского, снятого по мотивам романа польского писателя-фантаста Станислава Лема. Только этот разум был не на далекой планете, а у меня в руках: в маленькой бутылке. Итак, несмотря на то, что в науке обычно не соглашаются с приведенной выше цитатой Леонардо да Винчи и полагаются на разум, а не на глаз, мною выбор был сделан с эстетической точки зрения.
Об искусстве
Прежде чем перейти к научной части, поговорим о том, что связывает магнитные жидкости с красотой и искусством. Японский художник Сачико Кодама (Sachiko Kodama, родилась в 1970 году) – одна из первых, кто решила использовать магнитные жидкости в художественных инсталляциях. Она выросла в субтропическом районе юго-западной оконечности острова Кюсю в Японии. Его биологическое разнообразие очень вдохновило ее, поэтому с детских лет она проявляла любопытство к искусству и науке. Окончив изучение физики на кафедре наук в университете Хоккайдо в 1993 году, Сачико Кодама поступила в университет Высшей школы Цукуба на факультет искусства и дизайна.
После окончания магистратуры и защиты диссертации по искусству в этом университете она преподает в университете Электро-коммуникаций в Токио. Сачико Кодама известна своими художественными работами с использованием магнитной жидкости. Контролируя эту черную жидкость с помощью магнитного поля, художник создает сложные трехмерные формы. Работы Кодама называют «жидкими скульптурами». Художник начала свой первый магнитожидкостной интерактивный арт-проект «Protrude, Flow» в 2000 году в сотрудничестве с Минако Такено (Minako Takeno). В 2010 году Кодама выставила свои работы «Morpho Tower» and «Breathing Chaos» в Музее современного искусства в Токио. Работа «Morpho Tower» отображает, казалось бы, органическую форму жизни, которая фактически является магнитной жидкостью, динамически управляемой с помощью электромагнитов.
После того, как магнитная жидкость приобрела свою популярность, ее начали чаще использовать в современном искусстве. Например, в 2010 году австралийская музыкальная группа Pendulum использовала магнитную жидкость для клипа своего первого сингла «Watercolour» («Акварель») из третьего альбома «Immersion». «Watercolour» дебютировала на четвертом месте в британских чартах, став самым успешным синглом группы на то время. Сингл стал саундтреком к компьютерным играм Need for Speed: Hot Pursuit 2010 и f1 2010.
Теперь обратимся к творчеству швейцарского фотографа, любопытного исследователя, художника Фабиана Эфнера (Fabian Oefner, родился в 1984 году), работы которого граничат между искусством и наукой. Его творчество уникальным образом улавливает природные явления, которые проявляются в нашей повседневной жизни, такие как звуковые волны, центростремительные силы или удивительные свойства магнитных жидкостей. Его исследование невидимых и поэтических аспектов естественного мира – это приглашение остановиться на мгновение и оценить магию, которая постоянно окружает нас. Эфнер создает сюрреалистичные формы с помощью уже привычного нам материала – магнитной жидкости. Эта жидкость обладает уникальным магнитным свойством благодаря миллионам наночастиц железа в ней. Под воздействием магнитного поля частицы в растворе начинают перемещаться из-за притяжения и отталкивания железа. Формы, которые изображены на этой фотографии, размером с ноготь.
Если добавить акварельные краски в магнитную жидкость, то начинают появляться яркие структуры, образуя черные каналы и крошечные пруды с радужной цветной поверхностью. Причина, по которой черная магнитная жидкость и вода, раскрашенная акварельными красками, не смешиваются, состоит в том, что магнитная жидкость, как и масло, гидрофобная. В то же время она удерживается в нужном положении с помощью магнита, расположенного под ней. Итак, магнитная жидкость пытается обойти акварельные краски вокруг и, следовательно, формирует эти черные каналы.
Другой научный фотограф Фелис Фрэнкел (Felice Frankel) – исследователь в Центре материаловедения и инженерии в Массачусетском технологическом институте. Работая в тесном сотрудничестве с учеными и инженерами, она опубликовала свои фотографии в более чем 200 статьях и обложках таких международных изданий для широкой аудитории, как National Geographic, Nature, Science. Фотограф является основателем семинаров и конференций Image and Meaning, цель которых заключается в разработке новых подходов к развитию общественного понимания науки с помощью визуального выражения. Среди книг Фелис Фрэнкел стоит отметить «На поверхности вещей: образы необычного в науке» (On the Surface of Things: Images of the Extraordinary in Science, Harvard University Press, 2008), на обложку которой автор поместила трехсантиметровую каплю магнитной жидкости на предметном стекле. Используя инновационную технику фотографии, фотограф находит поразительную абстрактную красоту на поверхности объектов вокруг нас. Химик Джордж М. Уайтсайдс (George M. Whitesides) комментирует фотографии в книге и объясняет, почему и как происходит каждое из этих явлений.
Некоторые научные усилия элегантно воплощаются в удивительно красивые и увлекательные игрушки на грани науки и искусства. В США, в городе Хьюстон, Крунал Пател (Krunal Patel) основал стартап Fluux Design Lab. Основатель компании считает, что его миссия состоит в том, чтобы исследовать и устранить разрыв между наукой о материалах и художественным выражением. Он провел почти два года в попытках создать недорогую, стабильную в водном растворе, цветную магнитную жидкость. Результат – меняющая цвет магнитная жидкость LiquiMetal, помещенная в игрушку из анодированного алюминия, акрила и стекла, которую можно установить на рабочем столе в вертикальном и горизонтальном положении. Она моментально отвлекает от мирских проблем, позволяет переключить внимание, занимает руки и глаза, пока мозг удивляется, соображает и мечтает.
LiquiMetal использует нанотехнологию: магнитную жидкость, состоящую из наночастиц железа (размером порядка 10-6 мм), покрытых сферами из поверхностно-активного вещества. Эти частицы смешаны с несущей жидкостью – маслом, что позволяет манипулировать жидкостью с помощью магнитных полей. С магнитной жидкостью очень трудно работать, так как она прилипает к любому сосуду, в который ее помещают. Она имеет склонность очень быстро превращаться в неприглядную, агломерированную, красновато-коричневую полужидкость и вступает в химическую реакцию с практически всеми веществами, которые используются, чтобы прекратить все эти неприятные изменения. Крунал Пател решил все эти проблемы: LiquiMetal безопасна, недорога и полностью сохраняет красоту магнитной жидкости. К игрушке прилагается мощный редкоземельный неодимовый магнит, который используется для контроля плотности и текучести магнитной жидкости.
О науке
Поговорив немного об искусстве, сейчас настало время перейти к научной части нашей работы. Мы занимаемся разделом электродинамики сплошных сред, который называется феррогидродинамикой. Интерес к жидкостям, обладающим магнитными свойствами из-за наличия в них намагничивающихся частиц, был проявлен в первой половине XX века, однако эти искусственно создаваемые жидкости быстро расслаивались и теряли свои свойства. И собственно сама феррогидродинамика начала развиваться в начале 60-х годов XX века, когда ученые научились синтезировать магнитные жидкости (или феррожидкости).
Из прекрасных работ художников и фотографов мы уже поняли, что магнитные жидкости представляют собой коллоидные растворы ферромагнитных частиц размером порядка 3-15 нм в различных жидкостях-носителях. Для магнитных жидкостей обычно выбирают такие ферромагнетики, как железо, никель, кобальт, магнетит, а в роли жидкости-носителя могут выступать разные вещества в зависимости от целей использования магнитных жидкостей (например, керосин, вода, масло, кремнеорганические жидкости).
Частицы, как правило, покрыты тонким слоем поверхностно-активного вещества, которое не позволяет им слипаться и образовывать крупные агрегаты. Они находятся в броуновском тепловом движении, и вследствие этого магнитные жидкости не расслаиваются под действием силы тяжести и магнитных сил. Каждая частица обладает магнитным моментом, вмороженным в ее тело. Между этим моментом и магнитной стрелкой компаса можно провести следующую аналогию: при наличии приложенного магнитного поля момент частицы, как и стрелка компаса, поворачивается в направлении поля. Намагниченность такой суспензии есть векторная сумма всех магнитных моментов частиц, находящихся в единице объеме смеси. Магнитные жидкости сочетают в себе свойства обычных жидкостей и парамагнетика: в отсутствии приложенного магнитного поля они не намагничены (из-за броуновского движения частиц), а в присутствии поля намагниченность становится достаточно большой и на жидкость действуют силы, связанные с этой намагниченностью.
Большинство красивых картинок с магнитной жидкостью получается ввиду неустойчивости свободной поверхности. Если в чашку Петри налить магнитную жидкость и поднести снизу магнит так, чтобы силовые линии магнитного поля были перпендикулярны поверхности жидкости, то можно наблюдать очень красивое явление, которое называется «цветком Розенцвейга» в честь выдающегося американского ученого Р. Розенцвейга, одного из основоположников феррогидродинамики. На поверхности жидкости появляются пики, число и направление которых меняется, если магнит слегка удалять или приближать ко дну чашки Петри.
Если говорить, про применение магнитных жидкостей в технике, то их используют для создания амортизаторов колебаний (например, колебаний солнечных батарей на космических аппаратах). Технология амортизаторов на основе магнитных жидкостей MagneRide впервые была использована крупнейшей американской автомобильной корпорацией General Motors в 2002 году для модели Cadillac Seville STS. Сегодня MagneRide используется как стандартная опция во многих моделях Cadillac, Buick, Chevrolet, а так же в автомобилях неамериканских производителей Ferrari и Audi. Существуют магнитожидкостные сепараторы, которые могут отделять фракции с разной плотностью и используются для разделения руд цветных металлов в золотодобывающей промышленности. Магнитожидкостные уплотнители в зазорах между вращающимся внутренним валом (например, ротор в двигателе или антенна, выходящая из корпуса космического аппарата) и внешним корпусом очень надежны, они выдерживают большие перепады давления (до 10 атмосфер), поэтому их используют в военной и космической технике. Один из лидеров среди производителей электроники, транснациональная корпорация Sony, использует магнитные жидкости в динамиках, что позволяет сделать динамики более компактными и тонкими. Во-вторых, это позволяет уменьшить потребление энергии на 35%. Наконец, в таких динамиках значительно улучшилось качество звука.
На основе магнитных жидкостей ученые пытаются создать лекарства, которые задерживались бы в нужном месте организма магнитным полем. Благодаря этому лекарства действовали бы точечно и более эффективно. Кроме того, для лечения требовалось бы меньше действующего вещества, что снизило бы риск возникновения побочных эффектов. Известно, что нагрев раковых клеток до температуры около 42° приводит к их гибели, тогда как нормальные клетки еще могут выдерживать такую температуру. Процесс воздействия нагрева на раковые опухоли называется гипотермией. В настоящее время исследуется вопрос о возможности использования магнитных жидкостей для этих целей. Магнитную жидкость можно задержать в опухоли с помощью магнитного поля, а с помощью высокочастотного электромагнитного поля нагревать частицы жидкости. Однако задача состоит в создании ферромагнитных материалов, которые бы теряли свои магнитные свойства при температуре около 42°, что прекращало бы нагрев.
С помощью магнитного поля катушки с током, катушек Гельмгольца, концентраторов магнитного поля можно управлять формой свободной поверхности магнитной жидкости. В сотрудничестве с факультетом машиностроения Технического университета города Ильменау в Германии мы ведем работу по созданию насосов и автономных движителей, не содержащих твердых деталей и моторов. Работа таких движителей основывается на переменном магнитном поле, создаваемом источниками поля вне этих устройств. В перспективе они могут применяться в качестве безопасных роботов медицинского назначения.
Создание прерывателей, дозаторов и клапанов в микрозазорах, в трубках малых диаметров особенно актуально в современных задачах медицины и промышленности. Магнитожидкостные клапаны имеют ряд преимуществ перед механическими аналогами: они управляются бесконтактным образом путем изменения магнитного поля, не нарушают структуру окружающих их жидкостей, не содержат твердых деталей и менее подвержены износу. В сотрудничестве с кафедрой ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии» Белорусского национального технического университета города Минск в Беларуси мы проводим исследования деформации свободной поверхности магнитной жидкости, которые позволяют определять характеристики прототипов клапанов, дозаторов и других устройств с управляемыми объемами магнитных жидкостей, в которых периодически меняется магнитное поле.
Итак, если красота и удивительные свойства магнитных жидкостей заинтересовали Вас, приходите в гости в 111 лабораторию физико-химической гидродинамики НИИ механики МГУ и на кафедру гидромеханики механико-математического факультета МГУ!
Об авторе
 |
Александра Виноградова - научный сотрудник НИИ механики МГУ, выпускница Механико-математического факультета МГУ, факультета Педагогического образования МГУ, а также Французского университетского колледжа МГУ. В настоящее время Александра учится во Франции в магистратуре École normale supérieure de Paris. |
.
