Slovenski znanstveniki prvi na svetu pripravili magnetno tekočino!

Raziskovalci z Inštituta Jožef Štefan (IJS), Fakultete za matematiko in fiziko v Ljubljani (UL FMF) in mariborske Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo (UM FKKT) so prvi na svetu uspeli pripraviti magnetno tekočino, o čemer poročajo v današnji številki revije Nature. V resnici so ustvarili tekoči kristal z magnetnimi lastnostmi, kar je pred 43 leti predlagal kasnejši Nobelov nagrajenec Pierre de Gennes, a do danes ni uspelo še nikomur. Vrhunski dosežek je v celoti plod domačega znanja, saj so vsi štirje podpisani avtorji (Alenka Mertelj, Darja Lisjak, Miha Drofenik in Martin Čopič) zaposleni v slovenskih inštitucijah.

Najbolj znan magnetni material je železo, podobna pa sta še kobalt in nikelj. Če pomislimo, da je odkritih elementov več kot sto, so torej magnetni elementi zelo redki (enako se vedejo še nekater njihove spojine ter spojine lantanidov). Poenostavljeno povedano si lahko železo predstavljamo kot množico majhnih magnetnih domen, ki se vsaka vede kot majhen magnet. Če jih izpostavimo močnemu zunanjemu magnetnemu polju, se uredijo tako, da kažejo v isto smer, orientacijo pa obdržijo tudi, ko zunanje polje izključimo. Šele če magnet segrejmo nad Curiejevo temperaturo, ki je za vsako spojino drugačna, magnetizacijo uničimo, ker dobijo magnetne domene dovolj termične energije, da se preuredijo v naključne položaje.

Omenjeno obnašanje fizikalno imenujemo feromagnetizem, ker je železo (po latinsko ferrum) najbolj znan in prvi odkrit feromagnetni material. Podrobna razlaga subatomskega ozadja feromagnetizma presega okvire tega prispevka, povejmo le, da se v teh spojinah pojavi red dolgega dosega, ki poskrbi za ureditev elektronskih spinov v isto smer, kar se odrazi kot magnetna domena oziroma majhen magnet.

Večina materialov pa je paramagnetnih ali diamagnetnih. Paramagnetne snovi magneti rahlo privlačijo, diamagnetne pa odbijajo, a sta efekta zelo majhna in v splošnem izmerljiva le v laboratoriju. Pravimo, da imajo paramagnetne snovi pozitivno magnetno susceptibilnost, kar pomeni, da se v zunanjem magnetnem polju del nesparjenih elektronov orientira tako, da njihovi spini kažejo v isto smer, po odstranitvi polja pa efekt izzveni. Magnetizacija je premo sorazmerna z zunanjim magnetnim poljem in šibka, kar opisuje Curiejev zakon. Diamagnetne snovi po drugi strani nimajo nesparjenih elektronov, zato zmanjšujejo zunanje magnetno polje (imajo negativno susceptibilnost) in odbijajo magnete.

Tu pridemo do magnetnih tekočin. Če pobrskamo po spletu, bomo našli kopico tako imenovanih magnetnih tekočin. Še več, z njimi lahko počnemo zanimive poskuse, saj te tekočine v zunanjem magnetnem polju zavzamejo zanimive in nenavadne oblike, saj želijo maksimirati svojo izpostavljenost polju. Te tekočine so suspenzije magnetnih delcev v organskem topilu z dodanim surfaktantom (površinsko aktivno snovjo), da zagotovimo obstojnost suspenzije. A v vseh primerih gre za paramagnetne tekočine. V zunanjem magnetne polju se res namagnetijo in zavzamejo najrazličnejše oblike, a ko zunanje polje ugasnemo, izgubijo svojo magnetizacijo. Majhni magnetni delci, ki so suspendirani v tekoči fazi, imajo namreč dovolj termične energije, da se orientirajo tako, da lastno magnetno polje izničijo.

Slovenski raziskovalci pa so pripravili prvo feromagnetno tekočino na svetu, kar pomeni, da obdrži magnetizacijo tudi brez zunanjega polja. Tega seveda niso mogli narediti z navadnimi tekočinami in železovimi opilki. Kot je sklepati že iz imen avtorjev, se odkritje močno naslanja na tekoče kristale. Uporabili so mikro-ploščice iz barijevega heksaferita (BaFe_11,5Sc_0,5O₁₉), ki je feromagneten in ga je mogoče pripraviti v ultra tankih kristalih (5 x 70 x 70 nm). Te nanoploščice se vedejo kot običajen ploščati magnet, ki ima magnetni moment pravokoten na normalo (ravnino), torej vzporeden s simetrijsko osjo. Za razliko od paličastih magnetov se namreč ti precej raje zložijo v formacijo, v kateri se njihovo magnetno polje sešteva. Ekipa je potem te delce suspendirala v nematskem tekočem kristalu, ki je sam po sebi nemagneten. V nematski fazi tekočih kristalov najdemo dolge molekule, ki se spričo svoje geometrije uredijo v isto orientacijo, kar pomeni, da so njihove osi približno vzporedne, medtem ko pozicijskega reda ni (molekule se ne zlagajo v plasti, kakor v smektičnih tekočih kristalih).

Nanoploščice barijevega heksaferita so se v nematskem tekočem kristalu uredile tako, da je direktor tekočega kristala pravokoten na njihovo ravnino (torej so njihove osi poravnane z osmi molekul tekočega kristala). Magnetne nanodelce so pripravili na UM FKKT, potem pa so jih v Ljubljani spravili v tekoči kristal. Pripravili so 0,6-odstotno raztopino v 1-butanolu, ki so jo vmešali v pentilcianobifenil (5CB, Nematel), ki zaradi svoje oblike tvori nematske tekoče kristale. Potem so odparili 1-butanol, tako da je bila masna koncentracija magnetnih nanoploščic od 0,06 do 0,6 odstotka. Tak sistem je še v izotropni fazi (molekule zavzemajo vse orientacije), zato ga so s planarnimi steklenimi celicami debeline 20,4 μm prisilili v prehod v nematsko fazo in hitro ohladili.

Ali tekoče kristale štejemo pod tekočine ali ne, je stvar semantike. Naši fiziki in kemiki so kot prvi na svetu uspeli pripraviti tekočo snov, ki izkazuje feromagnetne efekte. Ima vse običajne lastnosti magnetov, kot so magnetni obrat, histereza, domenski zid in druge. Odkritje ima poleg akademske vrednosti tudi povsem praktično uporabo, saj v tekoči kristal vnaša novo prostostno stopnjo, kar daje nove lastnosti tekočemu kristalu (recimo oscilirajoča relaksacija direktorja ali od magnetne polja odvisne viskoelestaične lastnosti). Hkrati lahko tak feromagneten tekoči kristal krmilimo z magnetnim poljem. Trenutno tekoče kristale v LCD-jih (kjer je prav nematska faza tekočih kristalov) krmilimo z električnim polje. Novo odkritje odpira vrata magnetnemu krmiljenju.