سائل مغناطيسي انسيابي

السائل المغناطيسي الانسيابي ( MR أو MRF ) هو نوع من السوائل الذكية التي تزداد لزوجتها الظاهرية بشكل كبير عند تعرضها لمجال مغناطيسي ، حتى تصبح مادة صلبة لزجة مرنة . ^{[ 1 ]} ومن المهم أن إجهاد الخضوع للسائل في حالته النشطة ("التشغيل") يمكن التحكم به بدقة عالية عن طريق تغيير شدة المجال المغناطيسي. والنتيجة هي إمكانية التحكم في قدرة السائل على نقل القوة باستخدام مغناطيس كهربائي ، مما يفتح المجال أمام العديد من التطبيقات الممكنة في مجال التحكم.

يختلف سائل MR عن السائل المغناطيسي الذي يحتوي على جزيئات أصغر. فجزيئات سائل MR تُقاس في الغالب بالميكرومتر، وهي كثيفة للغاية بحيث لا تستطيع الحركة البراونية إبقاءها معلقة (في السائل الحامل ذي الكثافة المنخفضة). أما جزيئات السائل المغناطيسي فهي في الأساس جسيمات نانوية معلقة بفعل الحركة البراونية، ولا تترسب عادةً في الظروف العادية. ونتيجةً لذلك، فإن لهذين السائلين تطبيقات مختلفة تمامًا.

أظهرت الدراسات المنشورة منذ أواخر العقد الأول من الألفية الثانية، والتي استكشفت تأثير تغيير نسبة أبعاد الجسيمات المغناطيسية الحديدية، تحسيناتٍ عديدة مقارنةً بسوائل المغناطيسية التقليدية. فقد أظهرت السوائل القائمة على الأسلاك النانوية عدم وجود ترسبات بعد مراقبة نوعية على مدى ثلاثة أشهر. ويُعزى هذا إلى انخفاض كثافة التراص نتيجةً لانخفاض تناظر الأسلاك مقارنةً بالكرات، بالإضافة إلى الطبيعة الداعمة هيكليًا لشبكة الأسلاك النانوية التي تُحافظ عليها المغناطيسية المتبقية. ^{[ 2 ] [ 3 ]} علاوةً على ذلك، تُظهر هذه السوائل نطاقًا مختلفًا لتحميل الجسيمات (يُقاس عادةً إما بالحجم أو بالوزن) مقارنةً بالسوائل التقليدية القائمة على الكرات أو الأشكال الإهليلجية. إذ تُظهر السوائل التجارية التقليدية تحميلًا نموذجيًا يتراوح بين 30 و90% وزنيًا، بينما تُظهر السوائل القائمة على الأسلاك النانوية عتبة ترشيح تبلغ حوالي 0.5% وزنيًا (اعتمادًا على نسبة الأبعاد). ^{[ 4 ]} كما تُظهر هذه الجسيمات حدًا أقصى للتحميل يبلغ حوالي 35% من الوزن، نظرًا لأن الجسيمات ذات النسبة العالية بين الطول والعرض تُظهر حجمًا مستبعدًا أكبر لكل جسيم، بالإضافة إلى تشابك الجسيمات فيما بينها أثناء محاولتها الدوران حول نفسها، مما يؤدي إلى حد تفرضه اللزوجة الظاهرية العالية للسوائل في حالة عدم التشغيل. يشير هذا النطاق من التحميلات إلى إمكانية وجود مجموعة جديدة من التطبيقات التي ربما لم تكن ممكنة مع السوائل التقليدية القائمة على الكرات.

ركزت الدراسات الحديثة على الموائع المغناطيسية ثنائية الشكل، وهي موائع تقليدية كروية الشكل، حيث يُستبدل جزء من الكرات، يتراوح عادةً بين 2 و8% وزناً، بأسلاك نانوية. تتميز هذه الموائع بمعدل ترسيب أقل بكثير من الموائع التقليدية، ومع ذلك تُظهر نطاق تحميل مماثل للموائع التجارية التقليدية، مما يجعلها مفيدة أيضاً في التطبيقات الحالية التي تتطلب قوى عالية، مثل التخميد. علاوة على ذلك، تُظهر هذه الموائع تحسناً في إجهاد الخضوع الظاهري بنسبة 10% عند هذه النسب من استبدال الجسيمات. ^{[ 5 ]}

من الطرق الأخرى لتحسين أداء الموائع المغناطيسية الانسيابية تطبيق الضغط عليها. فعلى وجه الخصوص، يمكن زيادة خصائصها، لا سيما مقاومة الخضوع، حتى عشرة أضعاف في وضع القص ^{[ 6 ]} وخمسة أضعاف في وضع التدفق ^{[ 7 ]} . ويعود الدافع وراء هذا السلوك إلى زيادة احتكاك الجسيمات المغناطيسية الحديدية، كما هو موضح في النموذج المغناطيسي الاحتكاكي شبه التجريبي الذي وضعه تشانغ وآخرون. وعلى الرغم من أن تطبيق الضغط يُحسّن بشكل كبير من سلوك الموائع المغناطيسية الانسيابية، إلا أنه يجب إيلاء اهتمام خاص للمقاومة الميكانيكية والتوافق الكيميائي لنظام منع التسرب المستخدم.

يتم تعليق الجسيمات المغناطيسية، التي عادة ما تكون كرات أو أشكال بيضاوية بحجم الميكرومتر أو النانومتر ، داخل الزيت الحامل وتتوزع بشكل عشوائي في المحلول المعلق في الظروف العادية.

ومع ذلك، عند تطبيق مجال مغناطيسي، فإن الجسيمات المجهرية (عادة ما تكون في  نطاق 0.1-10 ميكرومتر) تصطف على طول خطوط التدفق المغناطيسي ، ^{[ 8 ]} انظر أدناه.

لفهم سلوك الموائع المغناطيسية والتنبؤ به، من الضروري نمذجتها رياضيًا، وهي مهمة معقدة نوعًا ما بسبب اختلاف خصائص المادة (مثل إجهاد الخضوع ). وكما ذُكر سابقًا، تتميز الموائع الذكية بلزوجة منخفضة في غياب مجال مغناطيسي، ولكنها تصبح شبه صلبة عند تطبيق هذا المجال. في حالة الموائع المغناطيسية (والسائل الكهروضوئي ) ، يكتسب المائع خصائص تُضاهي خصائص المادة الصلبة عند تنشيطه، حتى يصل إلى نقطة الخضوع ( إجهاد القص الذي يبدأ عنده القص). يعتمد إجهاد الخضوع هذا (المعروف عادةً بإجهاد الخضوع الظاهري) على المجال المغناطيسي المُطبق على المائع، ولكنه يصل إلى قيمة عظمى لا تُؤثر بعدها زيادة كثافة التدفق المغناطيسي ، حيث يكون المائع حينها مُشبعًا مغناطيسيًا. وبالتالي، يُمكن اعتبار سلوك المائع المغناطيسي مشابهًا لسلوك مادة بينغهام البلاستيكية ، وهي نموذج مادي خضع لدراسات مُستفيضة.

مع ذلك، لا يتبع سائل MR خصائص بلاستيك بينغهام بدقة. فعلى سبيل المثال، تحت حد إجهاد الخضوع (في حالة التنشيط أو "التشغيل")، يتصرف السائل كمادة لزجة مرنة ، بمعامل مرونة معقد يعتمد على شدة المجال المغناطيسي. كما يُعرف عن سوائل MR أنها تخضع لظاهرة ترقق القص ، حيث تنخفض اللزوجة فوق حد الخضوع مع زيادة معدل القص. علاوة على ذلك، فإن سلوك سوائل MR في حالة "الإيقاف" غير نيوتوني ويعتمد على درجة الحرارة، إلا أنه لا ينحرف إلا قليلاً بما يكفي لاعتبار السائل في النهاية بلاستيك بينغهام لأغراض التحليل البسيط.

وبالتالي يصبح نموذجنا لسلوك سائل MR في وضع القص كما يلي:

${\displaystyle \tau =\tau _{y}(H)+\eta {\frac {dv}{dz}},\tau >\tau _{y}}$

أين${\displaystyle \tau }$= إجهاد القص؛${\displaystyle \tau _{y}}$= إجهاد الخضوع؛${\displaystyle H}$= شدة المجال المغناطيسي${\displaystyle \eta }$= اللزوجة النيوتونية؛${\displaystyle {\frac {dv}{dz}}}$يمثل تدرج السرعة في الاتجاه z.

يُعدّ انخفاض مقاومة القص السبب الرئيسي لمحدودية نطاق التطبيقات. في غياب الضغط الخارجي، تبلغ أقصى مقاومة للقص حوالي 100 كيلو باسكال. عند ضغط السائل في اتجاه المجال المغناطيسي، وبإجهاد ضغط مقداره 2 ميجا باسكال، ترتفع مقاومة القص إلى 1100 كيلو باسكال. ^{[ 9 ]} كما تتحسن مقاومة القص عند استبدال الجسيمات المغناطيسية القياسية بجسيمات مغناطيسية مستطيلة. ^{[ 10 ]}

تترسب الجسيمات المغناطيسية من المعلق بمرور الوقت نتيجةً لاختلاف الكثافة الجوهري بين الجسيمات والسائل الحامل لها. يُعد معدل ودرجة حدوث ذلك من أهم العوامل التي تُؤخذ في الاعتبار في الصناعة عند تصميم أو تطبيق جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي. تُستخدم المواد الفعالة بالسطح عادةً لموازنة هذا التأثير، ولكن على حساب التشبع المغناطيسي للسائل، وبالتالي الحد الأقصى لإجهاد الخضوع الذي يظهر في حالته النشطة.

تشمل المواد الفعالة بالسطح المستخدمة ما يلي: ^{[ 11 ]}

• حمض الأوليك
• هيدروكسيد رباعي ميثيل الأمونيوم
• حامض الستريك
• ليسيثين الصويا

تعمل هذه المواد الفعالة سطحياً على تقليل معدل ترسب الجسيمات المغناطيسية، إذ يُعدّ ارتفاع معدل الترسب سمة غير مرغوبة في السوائل المغناطيسية الانسيابية. من المفترض ألا يترسب السائل المغناطيسي الانسيابي المثالي مطلقاً، إلا أن تطوير هذا السائل المثالي يُعدّ أمراً بالغ الصعوبة، تماماً كصعوبة تطوير آلة الحركة الدائمة ، وفقاً لفهمنا الحالي لقوانين الفيزياء. يُمكن تحقيق الترسيب المطوّل بمساعدة المواد الفعالة سطحياً بإحدى طريقتين: إما بإضافة هذه المواد، أو بإضافة جسيمات نانوية مغناطيسية كروية. تؤدي إضافة الجسيمات النانوية إلى بقاء الجسيمات الأكبر حجماً معلقة لفترة أطول، حيث تتداخل الجسيمات النانوية غير المترسبة مع ترسب الجسيمات الأكبر حجماً (بمقياس الميكرومتر) بفعل الحركة البراونية . كما تسمح إضافة المواد الفعالة سطحياً بتكوّن المذيلات حول الجسيمات المغناطيسية. يحتوي المُستحلب على رأس قطبي وذيل غير قطبي (أو العكس)، حيث يمتص أحدهما على جسيم حديدي، بينما يبرز الذيل غير القطبي (أو الرأس القطبي) في الوسط الحامل، مُشكلاً ميسيلًا معكوسًا أو منتظمًا ، على التوالي، حول الجسيم. هذا يزيد من قطر الجسيم الفعال. يمنع التنافر الفراغي التكتل الشديد للجسيمات في حالتها المُستقرة، مما يجعل إعادة خلط السائل (إعادة تشتيت الجسيمات) تحدث بشكل أسرع بكثير وبجهد أقل. على سبيل المثال، تُعاد خلط مُخمدات الموائع المغناطيسية الانسيابية خلال دورة واحدة مع إضافة مُستحلب، ولكن يكاد يكون من المستحيل إعادة خلطها بدونها.

على الرغم من فائدة المواد الفعالة سطحياً في إطالة معدل الترسيب في السوائل المغناطيسية الانسيابية، إلا أنها تُؤثر سلباً على خصائصها المغناطيسية (وتحديداً التشبع المغناطيسي)، وهو أحد المعايير التي يسعى المستخدمون عادةً إلى رفعها لزيادة أقصى إجهاد خضوع ظاهري. وسواءً كانت المادة المضافة المضادة للترسيب قائمة على الجسيمات النانوية الكروية أو على المواد الفعالة سطحياً، فإن إضافتها تُقلل من كثافة تعبئة الجسيمات المغناطيسية في حالتها النشطة، مما يُقلل من لزوجة السائل في حالته النشطة، وينتج عنه سائل نشط "أكثر ليونة" ذو إجهاد خضوع ظاهري أقصى أقل. وبينما تُعد لزوجة السائل في حالته النشطة (صلابة السائل النشط) من أهم الاعتبارات في العديد من تطبيقات السوائل المغناطيسية الانسيابية، إلا أنها تُعتبر خاصية أساسية لمعظم تطبيقاتها التجارية والصناعية، ولذلك يجب إيجاد حل وسط عند النظر في لزوجة السائل في حالته النشطة، وأقصى إجهاد خضوع ظاهري، ومعدل ترسيب السائل المغناطيسي الانسيابي.

يُستخدم سائل مغناطيسي انسيابي في أحد أنماط التشغيل الرئيسية الثلاثة، وهي: نمط التدفق، ونمط القص، ونمط التدفق الانضغاطي. تتضمن هذه الأنماط، على التوالي، تدفق السائل نتيجةً لتدرج الضغط بين لوحين ثابتين؛ وتدفق السائل بين لوحين يتحركان بالنسبة لبعضهما البعض؛ وتدفق السائل بين لوحين يتحركان في اتجاه عمودي على مستوييهما. في جميع الحالات، يكون المجال المغناطيسي عموديًا على مستويي اللوحين، وذلك لتقييد حركة السائل في الاتجاه الموازي لهما.

تتعدد تطبيقات هذه الأنماط المختلفة. يُستخدم نمط التدفق في المخمدات وممتصات الصدمات، وذلك باستخدام الحركة المراد التحكم بها لدفع السائل عبر قنوات يُطبق عليها مجال مغناطيسي. يُعد نمط القص مفيدًا بشكل خاص في القوابض والفرامل، حيث يجب التحكم في الحركة الدورانية. أما نمط التدفق الانضغاطي، فهو الأنسب للتطبيقات التي تتحكم في حركات صغيرة بحجم المليمتر ولكنها تنطوي على قوى كبيرة. وقد حظي هذا النمط تحديدًا بأقل قدر من البحث حتى الآن.

إن مجموعة تطبيقات السوائل المغناطيسية واسعة، وتتوسع مع كل تقدم في ديناميكيات السائل.

• المائع المغناطيسي – سائل ينجذب إلى أقطاب المغناطيس 
• السائل الكهرو-ريولوجي - نوع من المعلقات الكيميائية 
• علم الريولوجيا – دراسة تدفق المادة، وخاصة في الحالة السائلة 
• قياس اللزوجة - تقنيات تجريبية تستخدم لدراسة تدفق السوائل (علم اللزوجة) 

• بعض مقالات MRF المتاحة مجاناً
• تجربة السوائل المغناطيسية الانسيابية - تعليمات التحضير
• Howstuffworks.com درع الجسم السائل
• Howstuffworks.com الهياكل الذكية