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強磁性流体は、磁石の極に引き寄せられる暗色の液体です。ナノスケールの強磁性体またはフェリ磁性体の粒子 がキャリア流体（通常は有機溶媒または水）中に懸濁したコロイド状液体です。[ 1 ]各磁性粒子は凝集を防ぐために界面活性剤で完全にコーティングされています。大きな強磁性粒子は、強い磁場にさらされると、均一なコロイド混合物から引き剥がされ、別の磁性粉の塊を形成します。小さなナノ粒子の磁気引力は十分に弱いため、界面活性剤のファンデルワールス力で磁気凝集や塊状化を防ぐことができます。強磁性流体は通常、外部磁場がないと磁化を保持しないため、強磁性体ではなく「超常磁性体」に分類されることがよくあります。[ 2 ]
強磁性流体とは対照的に、磁気レオロジー流体（MR流体）はより大きな粒子を含む磁性流体です。つまり、強磁性流体は主にナノ粒子から構成されるのに対し、MR流体は主にマイクロメートルサイズの粒子から構成されます。強磁性流体中の粒子はブラウン運動によって懸濁しており、通常条件下では沈降しませんが、MR流体中の粒子は重すぎるため、ブラウン運動によって懸濁することはできません。したがって、MR流体中の粒子は、粒子と担体流体との固有の密度差により、時間とともに沈降します。結果として、強磁性流体とMR流体は用途が大きく異なります。
1963年、NASAのスティーブ・パペルは、磁場を印加することで無重力環境で燃料ポンプに引き寄せられる液体ロケット燃料を作るために、強磁性流体を作るプロセスを発明した。 [ 3 ]強磁性流体という名前が導入され、プロセスが改良され、より磁性の強い液体が合成され、追加のキャリア液体が発見され、R. E. ローゼンズヴァイクとその同僚によって物理化学が解明された。さらに、ローゼンズヴァイクは強磁性流体力学と呼ばれる流体力学の新しい分野を発展させ、強磁性流体の興味深い物理現象に関するさらなる理論的研究を促した。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 2019年、マサチューセッツ大学と北京化工大学の研究者は、外部磁場が除去されても磁性を保持する永久磁性強磁性流体の作成に成功した。研究者らはまた、液滴の形状が物理的に変化したり分割されたりしても、液滴の磁気特性が保持されることを発見した。[ 8 ]
強磁性流体は、マグネタイト、ヘマタイト、または鉄を含むその他の化合物の非常に小さなナノスケール粒子（通常直径10ナノメートル以下）と液体（通常は油）で構成されています。この粒子は十分に小さいため、熱攪拌によってキャリア流体中に均一に分散し、流体全体の磁気応答に寄与します。これは、水性常磁性塩溶液（硫酸銅(II)または塩化マンガン(II)の水溶液など）中のイオンが溶液を常磁性にするのと同様です。典型的な強磁性流体の組成は、体積比で磁性固体約5%、界面活性剤約10%、キャリア約85%です。 [ 9 ] 磁性ナノ粒子の調製に採用されたさまざまな合成アプローチとナノ粒子の形成メカニズム、さまざまなキャッピング剤による機能化などについては、最近のレビュー記事で議論されています。[ 10 ]
強磁性流体中の粒子は、多くの場合界面活性剤を使用して液体中に分散されるため、強磁性流体はコロイド懸濁液、つまり複数の物質状態の特性を持つ物質です。この場合、2つの物質状態は固体金属とそれが浸されている液体です。[ 11 ]磁場を印加することで相が変化するこの能力により、シールや潤滑剤として使用でき、将来のナノ電気機械システムでさらなる用途が開かれる可能性があります。
真の強磁性流体は安定しています。つまり、固体粒子は極めて強い磁場下でも凝集したり相分離したりしません。しかし、界面活性剤は時間の経過とともに（数年かけて）分解する傾向があり、最終的にはナノ粒子が凝集して分離し、流体の磁気応答に寄与しなくなります。
磁気レオロジー流体（MRF）とは、磁場の存在下で固化する強磁性流体（FF）に類似した液体を指します。磁気レオロジー流体は、強磁性流体の磁性粒子よりも1～3桁大きいマイクロメートルスケールの磁性粒子を含んでいます。
しかし、強磁性流体は、キュリー温度として知られる十分に高い温度で磁性を失います。
常磁性流体に強い垂直磁場をかけると、表面に規則的な山と谷のパターンが形成されます。この効果はローゼンツヴァイク不安定性または通常磁場不安定性として知られています。この不安定性は磁場によって引き起こされ、流体のどの形状がシステムの全エネルギーを最小にするかを考慮することで説明できます。[ 12 ]
磁気エネルギーの観点から見ると、山と谷はエネルギー的に有利です。波状構造では、磁場は山に集中します。流体は空気よりも磁化されやすいため、磁気エネルギーが低下します。その結果、流体のスパイクは磁力線に沿って空間へと移動し、最終的に力が釣り合います。[ 13 ]
同時に、ピークと谷の形成は重力と表面張力によって抵抗されます。谷から流体を移動させてスパイクに押し上げることと、流体の表面積を増やすことの両方にエネルギーが必要です。要約すると、波状構造の形成は液体の表面自由エネルギーと重力エネルギーを増加させますが、磁気エネルギーを減少させます。波状構造は、磁気エネルギーの減少が表面エネルギーと重力エネルギーの増加を上回る臨界磁場強度を超えた場合にのみ形成されます。[ 14 ]
強磁性流体は非常に高い磁化率を持ち、波状構造の発生に必要な臨界磁場は、小さな棒磁石で実現できる。
ナノ粒子をコーティングするために使用される石鹸系界面活性剤には、以下のようなものがあるが、これらに限定されない。
これらの界面活性剤はナノ粒子の凝集を防ぐため、粒子は懸濁液から沈殿したり、磁石の近くで磁性粉塵の塊になったりすることはありません。理想的な強磁性流体中の磁性粒子は、強い磁場にさらされても沈殿することはありません。界面活性剤は極性の頭部と非極性の尾部（またはその逆）を持ち、そのうちの一方がナノ粒子に吸着し、非極性の尾部（または極性の頭部）が担体媒体中に突き出て、それぞれ粒子の周囲に逆ミセルまたは正ミセルを形成します。静電反発力によって粒子の凝集が防止されます。
界面活性剤は強磁性流体の沈降速度を延長するのに役立ちますが、流体の磁気特性（特に磁気飽和）も阻害します。界面活性剤（またはその他の異物）を添加すると、活性化状態にある強磁性粒子の充填密度が低下し、その結果、流体のオン状態粘度が低下し、「柔らかい」活性化流体になります。オン状態粘度（活性化流体の「硬さ」）は、一部の強磁性流体用途ではそれほど重要ではありませんが、商業および産業用途の大部分では主要な流体特性であるため、オン状態粘度と強磁性流体の沈降速度を考慮する際には、妥協点を見つける必要があります。
強磁性流体は、ハードディスクの回転するドライブシャフトの周囲に液体シールを形成するために使用されます。回転するシャフトは磁石に囲まれています。磁石とシャフトの間の隙間に配置された少量の強磁性流体は、磁石への引力によって所定の位置に保持されます。磁性粒子の流体は、ハードドライブの内部に異物が侵入するのを防ぐバリアを形成します。Ferrotec のエンジニアによると、回転シャフトの強磁性流体シールは通常 3 ～ 4 psi の圧力に耐えます。[ 15 ]追加のシールを積み重ねて、より高い圧力に耐えることができるアセンブリを形成できます。
強磁性流体には摩擦を低減する能力がある。ネオジム磁石のような強力な磁石の表面に塗布すると、磁石が滑らかな表面上を最小限の抵抗で滑走するようになる。
強磁性流体は、フランシス・ビターによって開発された技術を用いて、強磁性材料の表面にある磁気ドメイン構造を画像化するために使用できる。[ 16 ]
1973年から、スピーカーではボイスコイルから熱を除去し、コーンの動きをパッシブに減衰させるために強磁性流体が使用されています。強磁性流体は、通常ボイスコイルの周囲のエアギャップとなる場所に存在し、スピーカーの磁石によって所定の位置に保持されます。強磁性流体は常磁性であるため、キュリーの法則に従い、高温になると磁性が弱まります。ボイスコイル（熱を発生する）の近くに強力な磁石を置くと、高温の強磁性流体よりも低温の強磁性流体を引き付け、加熱された強磁性流体を電気ボイスコイルから遠ざけ、ヒートシンクの方へ押し出します。これは、追加のエネルギー入力を必要としない比較的効率的な冷却方法です。[ 17 ]
アコースティック・リサーチのボブ・バーコウィッツは1972年にフェロフルイドの研究を始め、ツイーターの共振を抑制するために使用しました。マサチューセッツ州のエピキュアのダナ・ハサウェイは1974年にツイーターの減衰にフェロフルイドを使用しており、冷却メカニズムに気づきました。ベッカー・エレクトロニクスのフレッド・ベッカーとルー・メリロも1976年に早期採用者となり、メリロはフェロフルイディクスに参加し、1980年に論文を発表しました。[ 18 ]コンサートの音響では、ショーコは1979年にウーファーの冷却にフェロフルイドを使用し始めました。[ 19 ]パナソニックは1979年にフェロフルイドを商用スピーカーに採用した最初のアジアメーカーでした。この分野は1980年代初頭に急速に成長しました。今日では、 ラップトップ、携帯電話、ヘッドホン、イヤホンに搭載されているスピーカーを含め、フェロフルイドを内蔵した音発生トランスデューサーが年間約3億個生産されています。[ 20 ]
抗体やストレプトアビジン（SA）やラット抗マウスIg（RAM）などの一般的な捕捉剤と結合した強磁性流体は、細胞選別の一種である免疫磁気分離に使用されます。[ 21 ]これらの結合強磁性流体は、標的細胞に結合し、低勾配磁気分離器を使用して細胞混合物から磁気的に分離するために使用されます。これらの強磁性流体は、細胞療法、遺伝子療法、細胞製造などの用途があります。
美的側面では、強磁性流体は音を視覚化するために表示できます。そのために、強磁性流体の塊を透明な液体に懸濁させます。電磁石が音楽の音量またはオーディオ周波数に応じて強磁性流体の形状に作用し、曲の高音または低音に選択的に反応できるようにします。[ 22 ] [ 23 ]
2枚の光学用平面ガラスの間に超常磁性薄膜を封入して密封することで、磁気光学デバイスおよび磁場フラックスビューア動的光学レンズを作成できます。この薄膜は、数ミクロンの厚さの、非常に希釈されたほぼ透明な強磁性流体でできています。フェロレンズの周囲には、それを照らすLEDリングアレイがあります。外部磁場が薄膜の表面に投影されると、ファラデーの古典的な鉄粉実験に似た2次元の磁束磁場インプリントパターンが生成されます。このパターンには、薄膜の厚さがわずか数ミクロン（つまり10～20μm）であるにもかかわらず、フェロレンズデバイスによって表示される外部磁場の被写界深度情報が含まれています。[ 24 ]
いくつかの強磁性流体は、磁気共鳴画像診断における造影剤として販売されており、異なる組織の磁気緩和時間の差を利用してコントラストを生み出します。[ 25 ] [ 26 ]いくつかの薬剤が導入され、その後市場から撤退しました。これには、2008年に販売中止となったFeridex IV（Endoremおよびフェルモキシドとしても知られる）[ 27 ] 、 2001年から2009年まで販売されたresovist（Cliavistとしても知られる）[ 28 ]、2007年に撤退したSinerem（Combidexとしても知られる）[ 29 ]、1996年から2012年まで販売されたLumirem（Gastromarkとしても知られる）[ 30 ]などが含まれます。[ 31 ] [ 32 ] Clariscan（PEG-fero、Feruglose、NC100150としても知られる）は、安全性の懸念から開発が中止された。[ 33 ]
強磁性流体は、磁場の影響下でナノメートルスケールの針状の鋭い先端を自己組織化させることができる。針が臨界的な細さに達すると、ジェットを放出し始め、将来的にCubeSatなどの小型衛星を推進するためのスラスタ機構として使用される可能性がある。[ 34 ]
強磁性流体は、その屈折特性、すなわち各粒子（微小磁石）が光を反射する性質により、数多くの光学用途に利用されています。これらの用途には、偏光子と検光子の間に置かれた液体の比粘度をヘリウムネオンレーザーで照射して測定することが含まれます。[ 35 ]
磁性流体は、磁気による薬剤ターゲティングに提案されている。このプロセスでは、薬剤は磁性流体に付着または封入され、磁場を使用して標的化および選択的に放出される。[ 36 ]
標的型磁気ハイパーサーミアでは、電磁エネルギーを熱に変換することも提案されている。 [ 37 ]
また、ナノ手術の一形態として、ある組織を別の組織から分離することも提案されている。例えば、腫瘍をそれが成長した組織から分離するなどである。[ 25 ]
温度勾配などによって磁化率が変化する強磁性流体に外部磁場を印加すると、不均一な磁気体積力が生じ、熱磁気対流と呼ばれる熱伝達が生じます。この熱伝達は、従来の対流熱伝達が不十分な場合、例えば、超小型のマイクロスケールデバイスや低重力条件下などで有効です。
磁場によって熱伝導率を調整できる（熱伝導率が約 300% 向上）ことが 2007 年に実証されました。k のこのような大きな向上は、パーコレーションするナノ粒子経路を通じた効率的な熱輸送に起因すると考えられています。熱伝導率と粘度の比率を調整できる特殊な磁性ナノ流体は、熱を除去し、振動を抑制する（ダンパー）ことができる多機能な「スマート材料」として使用できます。このような流体は、マイクロ流体デバイスやマイクロ電気機械システム ( MEMS ) に応用できる可能性があります。[ 38 ] 強磁性流体の熱伝導率とレオロジーの調整に関するレビューが最近発表されました。[ 39 ]
地球上の天文望遠鏡用の強磁性流体から適応光学形状変化磁気ミラーを作成するための研究が進行中である。[ 40 ]
光学フィルターは、異なる波長の光を選択するために使用されます。フィルターの交換は面倒で、特に波長可変型レーザーで波長を連続的に変化させる場合はなおさらです。磁場を変化させることで異なる波長に調整可能な光学フィルターは、強磁性流体エマルジョンを使用して構築できます。[ 41 ]
強磁性流体は、環境から振動エネルギーを収穫することを可能にします。低周波（<100 Hz）振動を収穫する既存の方法では、固体共振構造の使用が必要です。強磁性流体を使用すると、エネルギーハーベスターの設計に固体構造は不要になります。強磁性流体ベースのエネルギーハーベスティングの1つの例は、容器内に強磁性流体を配置し、外部の機械的振動を使用して、容器の周りに巻かれたコイル内で永久磁石に囲まれた電気を生成することです。[ 42 ]まず、強磁性流体をコイルで巻かれた容器内に配置します。次に、強磁性流体を永久磁石を使用して外部から磁化します。外部振動によって強磁性流体が容器内で揺れ動くと、コイルに対する磁束場が変化します。ファラデーの電磁誘導の法則により、磁束の変化によりコイルに電圧が誘導されます。[ 42 ]