نانو پودر

[v.m 2020]

از آهنربا تا نانوپودرهای مغناطیسی
نانوپودرهای مغناطیسی، بخش دوم

مقدمه ساده‌ترين مواد مغناطيسي که مي‌شناسيم، آهنرباها هستند. آهن‌رباها نقش تعيين‌كننده‌اي در زندگي بشر دارند. در اين فصل نشان مي‌دهيم كه براي استفاده از برخي خواص مغناطيس، از جمله در كارت‌هاي اعتباري، بايد از پودرهاي مغناطيسي استفاده كرد. همچنين نشان مي‌دهيم كه اندازة پودرها تأثير زيادي در خاصيت مغناطيسي آنها دارد. سرگذشت آهنربا بزرگترين مادة مغناطيسيِ زمين، خودِ زمين است. زمين آهنربايي دوقطبي است كه ميدان مغناطيسي آن در جهت شمال به جنوب قرار دارد. يعني اگر آهنربايي را در فضا معلق نگاه داريم، در اين جهت قرار مي‌گيرد. اولين مادة مغناطيسي كه بشر شناخت، اكسيدآهن بود. اين ماده داراي خاصيت آهنربايي غيردائمي است. يعني خاصيت مغناطيسي آن از بين مي‌رود. مواد مغناطيسي در سه دستة فلزات، سراميک‌ها، و پليمرها مي‌گنجند. عمدة مواد مغناطيسي جزء دستة سراميك‌ها هستند. سراميك‌ها از طريق پيوند يونيِ يك فلز يا غيرفلز با كوچك‌ترين اتم‌هاي طبيعت، يعني اكسيژن،‌ نيتروژن، بور و كربن به وجود مي‌آيند. (البته هيدروژن كه كوچك‌تر از همه است در اين بين نيست.) خواص مغناطيسي اكسيد آهن توسط «تالس» شناخته شد تالس در قرن هفتم ميلادي از اين ماده آهنربا ساخته شد و در قطب‌نما به کار رفت. آهنربا و دانش ساخت آن، پس از پانصد سال از چين به اروپا رسيد. در اروپا‌ دانشمندي فرانسوي به نام گيلبرت، كتاب «قطعات آهنرباشده و آهنرباي بزرگ زميني» را نوشت. در اين كتاب قديمي‌ترين و ساده‌ترين روش‌هاي آهنربا كردن يك قطعة مغناطيسي به شرح زير بيان شده‌اند: گيلبرت 1. مالش دادن يك قطعة آهني (قطعه‌اي که مي‌خواهيم مغناطيسي شود) با يك آهنربا (داراي ميدان مغناطيسي)؛ 2. گداخته كردن يك قطعة آهني (تا سرخ شود)‌ و سپس سرد كردن آن در جهت ميدان مغناطيسي زمين؛ 3. چكش‌كاري يا كشش يك قطعة آهني در جهت ميدان مغناطيسي زمين. نانوپودرهاي مغناطيسي مي‌دانيم که اندازة مواد و پديده‌ها در مغناطيس در مقياس بسيار ريز قرار دارد. از سوي ديگر، مي‌دانيم كه يك ماده هر چه حوزه‌هاي کم‌تعدادتري داشته باشد، نيروي كمتري براي همجهت کردن حوزه‌هاي آن لازم است. اگر ماده تنها داراي يك حوزه باشد، در اين صورت ديگر نيازي به همجهت كردن آن با ديگر حوزه‌ها نيست. از آنجا‌كه قطر اين حوزه‌ها در محدودة يک تا چند هزار نانومتر قرار دارد، اگر هر ذره فقط داراي يک حوزه باشد، مي‌تواند نانوپودر به شمار رود. به اين ترتيب، ذرات نانوپودر داراي تعداد حوزه‌هاي كمي هستند و مغناطيس كردن آنها كار ساده‌اي است. از طرف ديگر، بر اساس قانون دوم ترموديناميک، مي‌دانيم که موادي که از حالت طبيعي خارج شده‌اند، تمايل دارند که به حال طبيعي خود بازگردند و مغناطيس كردن يك ماده، ماده را از حالت طبيعي خود خارج مي‌کند. اما چون نانوپوردها احتياج به نيروي زيادي براي مغناطيس شدن ندارند و از حالت طبيعي خود خيلي فاصله نمي‌گيرند، پس از مغناطيس شدن، تمايل زيادي براي از دست دادن اين خاصيت و بازگشت به حالت طبيعي ندارند. قانون دوم ترموديناميک: بي نظمي در يک سيستم منزوي، در يک فرايند خودبه‌خودي، افزايش مي‌يابد. اما به طور كلي با گرم كردن يك مادة مغناطيس‌شده تا دماي كوري، حوزه‌ها به جهت‌هاي اوليه خود برمي‌گردند و خاصيت خود را از دست مي‌دهند. دماي کوري دمايي است که در آن ماده کاملاً خاصيت مغناطيسي خود را از دست مي‌دهد. كاربردهاي نانوپودرهاي مغناطيسي 1. ساخت آهنربا براي ساخت آهنربا مي‌توان به روشي که در ساخت قطعات از نانوپودرها توضيح داده شده است عمل كرد. يعني پودرها را تحت فشار در دماي بالا قرار داد تا به هم بچسبند و يك قطعه درست شود. چنين قطعات آهنربايي در بلندگوها، هدفون‌ها و... استفاده مي‌شوند. جالب است بدانيد خودروهاي جديد 70 آهنرباي دائمي دارند. حركت موتورهاي DC، حركت سقف، شيشه‌هاي پنجره و... با استفاده از آهنرباها كنترل مي‌شوند. قطارهايي هم كه روي هوا حركت مي‌كنند، بر مبناي نيروي دافعة بين آهنرباها در ريل و كف قطار، روي هوا مي‌ايستند. يكسو و غيرهمسو كردن جريان الكتريكي اين آهنرباها را به وجود مي‌آورد و موجب حرکت يا ترمز قطار مي‌شود. 2. قطعات آهنرباييِ کامپوزيت‌شده با پليمرها به جاي روش حرارت تحت فشارِ پودرها که خاصيت مغناطيسي را کم مي‌کند، مي‌توان از پليمرها كه در دماي نه چندان بالا ذوب مي‌شوند استفاده كرد. به اين شکل که پودرهاي مغناطيسيِ مذاب را در آنها بريزيم و سرد كنيم تا جامد شوند. البته پليمرها خاصيت مغناطيسي ندارند و بنابراين خاصيت مغناطيسي آهنرباي توليدشده كم مي‌شود، ولي مي‌توان از اين نوع آهنربا در جايي كه آهنربا بايد تحت ضربه كار كند، مثل درِ يخچال، استفاده كرد. (توجه کنيد که ضربه خاصيت مغناطيسي را كم مي‌كند.) 3. در محيط‌هاي ذخيره اطلاعات يکي از مهمترين كاربردهاي پودر مغناطيسي، ذخيرة اطلاعات در كارت‌هاي اعتباري است. در اين محيط‌ها، پودر مغناطيسي به صورت ذرات ريزي که به‌سختي آهنربا مي‌شوند و به‌سختي هم خاصيت آهنربايي خود را از دست مي‌دهند، مورد استفاده قرار مي‌گيرد. حفظ و ماندگاري اطلاعات در چنين محيط‌هايي بسيار مهم است و پايداري خاصيت مغناطيسي در پودرها باعث مي‌شود اطلاعات حکاکي‌شده‌اي که در قالب حوزه‌هاي مغناطيسي ثبت شده‌اند از بين نروند.