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The static and dynamic properties of magnetic particles in quasi-two dimensional aqueous solution
황윤회 Univ. of Pittsburgh 1995 해외박사
준 이차원 수용액에 담겨있는 자성입자의 정적 동적 특성을 외부자장 (H)의 존재하에서 컴퓨터 영상분석기술로 연구하였다. 정적특성 연구에서는 이 자성 입자계의 구조가 외부자장의 크기에 따라 변화함을 발견하였는데 외부자장이 증가함에 따라 독자적 자성입자, 불규칙한 기둥구조, 그리고 서로 간섭하는 자성기둥 격자구조로 바뀌었다. 이렇게 구조적으로 구별되는 영역들은 두 특성 자장선, Hc₁(Φ)와 Hc₂(Φ)로 구분이 되었다. (Φ-자성입자계의 입자 농도) 각각의 자성입자가 기둥구조를 만드는 과정에서 근본적으로 존재하는 불규칙성 때문에 상당히 큰 크기의 H 하에서도 자성기둥은 완벽한 규칙성을 갖지 못한다. 또한 자성입자계의 구조는 어떻게 H가 가해졌는지에 크게 의존 하며, 시간적 공간적 평균이 서로 다름을 (nonergodic) 보여주었다. 이러한 점으로 미루어 이 자성입자계는 외부자장이 증가함에 따라 액체 상태에서 불규칙한 고체상태로(Glass) 상위전환이 이루어짐을 알 수 있었다. 정적특성 연구에 동반하여 동적특성을 자성기둥위치를 컴퓨터 영상분석기술과 현미경 을 이용하여 시간에 따라 측정함으로써 연구하였다. 측정된 자료를 이용하여 자성 기둥의 자체적 움직임과 자성기둥 상호간의 움직임을 연구하였다. 자성 기둥 자체적 움직임 연구에서는 평균제곱이동(mean-square displacement)이 H의 크기에 의존하며,두 다른 특성적 움직임을 보여주었다. 짧은 시간대에서 는 평균제곱이동이 저분산적 이었으며, 긴 시간대에서는 정상분산적이었다. 이 두 다른 영역은 특정시간 t*(H)로 나누어졌으며 t*는 H가 증가함에 따라 매우 빠르게 증가하였다. 자성기둥 상호간의 움직임은 서로 직각되는 방향 으로서 움직임이 주종을 이루었다. 작은거리상의 움직임은 서로 간섭하는 영역들이 더 큰 범위의 움직임을 배경으로 서로 비비는 식의 움직임이었다. 큰 거리상의 움직임은 작은 거리상의 움직임과 비슷하게 서로 비비는 식의 움직임이었으나 움직이는 방향이 서로 반대 이었다. 이러한 관찰은 자성 기둥계의 불규칙구조(defect)의 재배열로 인한 결과로 추측이 된다. The static and dynamic properties of magnetic particles confined in quasi-two dimensional aqueaous solution under magnetic field H are studied using static light scattering and real space video image analysis techniques. In the static study, it is found that the system undergoes a structural transition: single particles elongated disordered columns array of correlated columns, as increases: Different structure regions are separated by two critical field lines HcI($) and Hcz(rj), where 4 is th e concentration of the particles. Due to disorders inherited in the self-assembling process the magnetic columns remain short-range ordered even in the high field limit, H >> H c2. The translational and bond-orientational correlation lengths are also measured when H. These appear to be of the order of lattice space both in low and high fields. The system also shows a hysteretic effect and nonergodicity. These observations strongly suggest that the system undergoes a glass transition as H increases. Along with the static measurements, the dynamics of the system is also studied. By tracing the magnetic columns with a video imaging technique, the position of magnetic columns at time t, is measured. Using (2), the self and the relative motions of magnetic columns are studied. It is found that the self mean-square displacement, < Ar2 >, depends on the aligning field H and displays two different behaviors. In short times < AF > is subdiffusive whereas in long times < Ar2 > exhibits normal diffusion. The characteristic time, separating the two time regimes diverges exponentially with H, indicating fast frozen-in density fluctuations in the system. Our experimental results deviate significantly from the predictions of mode-coupling theory. The relative motion of magnetic column pairs is dominated by the transverse com- ponent in all scales. At small scales, the �correlated domains (or clusters), consisting of a few columns, undergoes a shear motion on top of large scale motion. On a large scale, the motions are also shear-like but the correlated domains move in opposite directions possibly due to the rearrangement of defect structures.
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