از آهنربا تا نانوپودرهای مغناطیسی

سرگذشت آهنربا
بزرگترين مادة مغناطيسيِ زمين، خودِ زمين است. زمين آهنربايي دوقطبي است که 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 که بشر شناخت، اکسيدآهن 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 سراميک‌ها هستند. سراميک‌ها از طريق پيوند يونيِ يک فلز يا غيرفلز با کوچک‌ترين اتم‌هاي طبيعت، يعني اکسيژن،‌ نيتروژن، بور و کربن به وجود مي‌آيند. (البته هيدروژن که کوچک‌تر از همه است در اين بين نيست.)
خواص مغناطيسي اکسيد 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، کتاب «قطعات آهنرباشده و آهنرباي بزرگ زميني» را نوشت. در اين کتاب قديمي‌ترين و ساده‌ترين روش‌هاي آهنربا کردن يک قطعة مغناطيسي به شرح زير بيان شده‌اند:

گيلبرت

1. مالش دادن يک قطعة آهني (قطعه‌اي که مي‌خواهيم مغناطيسي شود) با يک آهنربا (داراي ميدان مغناطيسي)؛
2. گداخته کردن يک قطعة آهني (تا سرخ شود)‌ و سپس سرد کردن آن در جهت ميدان مغناطيسي زمين؛
3. چکش‌کاري يا کشش يک 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 که يک ماده هر چه حوزه‌هاي کم‌تعدادتري داشته باشد، نيروي کمتري براي همجهت کردن حوزه‌هاي آن لازم است. اگر ماده تنها داراي يک حوزه باشد، در اين صورت ديگر نيازي به همجهت کردن آن با ديگر حوزه‌ها نيست. از آنجا‌که 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 کمي هستند و مغناطيس کردن آنها کار 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 کردن يک 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.

اما به طور کلي با گرم کردن يک مادة مغناطيس‌شده تا دماي کوري، حوزه‌ها به جهت‌هاي اوليه خود برمي‌گردند و خاصيت خود را از دست مي‌دهند.

کاربردهاي نانوپودرهاي مغناطيسي
1. ساخت آهنربا
براي ساخت آهنربا مي‌توان به روشي که در ساخت قطعات از نانوپودرها توضيح داده شده است عمل کرد. يعني پودرها را تحت فشار در دماي بالا قرار داد تا به هم بچسبند و يک قطعه درست شود. چنين قطعات آهنربايي در بلندگوها، هدفون‌ها و... استفاده مي‌شوند. جالب است بدانيد خودروهاي جديد 70 آهنرباي دائمي دارند. حرکت موتورهاي DC، حرکت سقف، شيشه‌هاي پنجره و... با استفاده از آهنرباها کنترل مي‌شوند.
قطارهايي هم که روي هوا حرکت مي‌کنند، بر مبناي نيروي دافعة بين آهنرباها در ريل و کف قطار، روي هوا مي‌ايستند. يکسو و غيرهمسو کردن جريان الکتريکي 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 که در دماي نه چندان بالا ذوب مي‌شوند استفاده کرد. به اين شکل که پودرهاي مغناطيسيِ مذاب را در آنها بريزيم و سرد کنيم تا جامد شوند. البته پليمرها خاصيت مغناطيسي ندارند و بنابراين خاصيت مغناطيسي آهنرباي توليدشده کم مي‌شود، ولي مي‌توان از اين نوع آهنربا در جايي که آهنربا بايد تحت ضربه کار کند، مثل درِ يخچال، استفاده کرد. (توجه کنيد که ضربه خاصيت مغناطيسي را کم مي‌کند.)

3. در محيط‌هاي ذخيره اطلاعات
يکي از مهمترين کاربردهاي پودر مغناطيسي، ذخيرة اطلاعات در کارت‌هاي 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.