Русский химический магнит для будущих наномоторов

Это могут быть, например, электрофорез, реактивная сила при газогенерации, воздействие электрических, магнитных, акустических полей или света. Использование магнитных полей — один из наиболее перспективных методов перемещения таких «пловцов».

Ученые ФИАН создали робота, части которого были изготовлены из парамагнитных или диамагнитных металлов с разными электрохимическими потенциалами, которые играли роль анода и катода. Затем робот помещали на поверхность жидкого электролита. Фактически подобный робот представлял собой плавающую батарейку.

В системе начиналась окислительно-восстановительная реакция, при этом по корпусу робота двигались электроны, а в растворе электролита — ионы, возникала петля с током, и этот контур представлял собой элементарный магнит.

«В неоднородном магнитном поле на любую петлю с током действует магнитная сила, и на “пловца” при протекании химической реакции начинает действовать дополнительная магнитная сила — иными словами, можно сказать, что магнитная восприимчивость такого робота возрастает по сравнению с магнитной восприимчивостью металлов, из которых он был изначально изготовлен», — рассказывает Борис Кичатов.

Далее ученые перемещали над «пловцом» постоянный магнит из неодима, железа и бора, создавая тем самым неоднородное магнитное поле. Так в процессе эксперимента они оценили максимальную высоту магнита над «пловцом», при которой он мог двигаться вместе с магнитом. Оказалось, что критическое расстояние, на котором действуют магнитные свойства «пловца», составляет 14 миллиметров.

Чтобы доказать, что петля тока играет ключевую роль в возникновении химического магнетизма, ученые провели эксперимент с пластиной, полностью изготовленной из цинка. Они сравнивали ее движение в неоднородном магнитном поле, то есть под воздействием постоянного магнита, на поверхностях воды и раствора сульфата меди. Несмотря на то что между цинком и раствором сульфата меди шла реакция, на такого «пловца» не действовала дополнительная магнитная сила. Фактически химическая реакция не оказывала влияния на эффективную магнитную восприимчивость «пловца», так как в этом случае не возникает петли тока.

«Когда магнитная восприимчивость робота была низкой, он просто не двигался за этим магнитом. Так мы доказали, что при протекании химических реакций магнитная восприимчивость материала может вырасти на порядок величины. Фактически мы в некоторой степени приблизили магнитные свойства парамагнитного металла к показателям ферромагнетиков. Конечно, такие преимущества не возникают в природе “бесплатно”. Дополнительный магнетизм обусловлен протеканием химических реакций, и как только реакция прекращается, система приходит в состояние равновесия и химический магнетизм вырождается», — говорит Борис Кичатов.

Ученые экспериментировали с разными парами металлов, тем самым изменяя разность потенциалов на электродах, и выяснили, что это приводит к изменению тока и, следовательно, магнитной восприимчивости. Например, индий, как и цинк, является диамагнитным металлом. Однако в электрохимическом ряду он расположен ближе к меди, чем к цинку. Благодаря этому максимальное расстояние между «пловцом» и магнитом, при котором «пловец» все еще движется вместе с магнитом, у робота на основе сплава In–Cu оказывается меньше, чем у Zn–Cu.

Кроме того, ученые установили, что магнитные свойства химического магнита можно регулировать за счет изменения концентрации сульфата меди в растворе и вариаций температуры. Влияние обоих факторов обусловлено их воздействием на скорость протекания химических реакций,