JP4854842B2 - 粒子の制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強磁場中に置かれた物質間の弱磁性体粒子の磁気的引力・斥力相互作用を利用することによる、粒子集合体の凝集や分散、再配置を制御する弱磁性体粒子の制御方法に係り、マクロな構造の制御や分離技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、例えば、
（１）Ｙａｓｕｈｉｒｏ Ｉｋｅｚｏｅ，Ｎｏｒｉｙｕｋｉ Ｈｉｒｏｔａ，Ｊｕｎ Ｎａｋａｇａｗａ ａｎｄ Ｋｏｉｃｈｉ Ｋｉｔａｚａｗａ，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．３９３，７４９−７５０（１９９８）
（２）特開平１１−１１４４０９号公報：「物体の位置制御方法および物体の位置制御装置」
（３）Ｎａｏｋｉ Ｓａｔｏｈ ａｎｄ Ｋａｏｒｕ Ｔｓｕｊｉｉ，Ｊ．ｏｆ Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｖｏｌ．９１，Ｎｏ．２７，６６２９−６６３２（１９８７）
などに開示されている。
【０００３】
強磁性体のように、磁場に対する応答が非常に大きい物質は、物質間の磁気的相互作用も大きく、永久磁石のＮ極とＳ極が引き合う事実が知られているように従来からよく研究されている。しかし、反磁性物質や常磁性物質のような弱磁性物質は、自発磁化が無く、磁場によって誘起される磁気モーメントも非常に小さいために、個々の物質間の磁気モーメント相互作用に関しては無視されてきた。二つのモーメント間の相互作用は、静磁気学によれば、次式で表される。
【０００４】
【数１】
【０００５】
【０００６】
粒子間の磁気モーメント相互作用は、物質の磁化率が大きいほど、また粒子の大きさが大きいほど、さらに磁場強度が強いほど顕著になる。しかし、弱磁性物質の磁化率はＳＩ単位系で１０-5程度の大きさしかない。したがって、磁場中に置かれた物体間に前述の相互作用が存在していたとしても、それだけを取り出して観測するのは通常非常に困難である。
【０００７】
この力は熱エネルギーによる攪乱（ブラウン運動）にかき消され、あるいはまた、粒子周辺における磁場強度の空間的な勾配により、粒子全体が磁場勾配による磁気ポテンシャルエネルギーの有利な方向に移動してしまうからである。このことが、これまで、前述の相互作用の存在があらわに認識されてこなかった理由である。それゆえ、この磁気相互作用を、粒子集合体のマクロ構造の制御、凝集・分散の制御、分離技術などに応用した例も、もちろん見受けられない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
１テスラ（Ｔ）以上の強磁場になると、後述の実施例のように、このような力、すなわち、磁場中で誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント相互間の反発あるいは引力相互作用の存在を確かめることができる。そのような力の存在は、弱磁性体粒子集合体において個々の粒子が、周囲粒子に対して相対的に自分自身の位置を決定する駆動力となる。本発明はその駆動力を有効に活用しようとするものである。
【０００９】
すなわち、磁場がかけられていない状態と比較すると、磁場中では最安定な弱磁性体粒子の相対的配列が異なることを利用して、弱磁性体粒子の配列を変化させることができる。これにより、例えば、強磁場の印加方向に依存して、弱磁性体粒子の流動を容易にしたり、あるいは、逆に弱磁性体粒子の流動を起こりにくくすることができる。このような効果は、粉体やコロイド粒子系の分離を行う場合に有効である。
【００１０】
あるいは、弱磁性体粒子が互いに緩やかに相互作用して、ある配置を形成していた場合、強磁場の印加によりその配置形態を変化させることができる。無磁場の下での、このような弱磁性体粒子の配置形態は、弱磁性体粒子系が示す高次構造として知られており、異なる複数の弱磁性体粒子系高次構造の間に相転移が生じることも知られている。
【００１１】
本発明は、強磁場の印加により、このような高次構造間の相転移を促進したり、あるいは、従来と異なる高次構造を得ることを可能にする。さらに、高次構造が等方的でなく方向性を有する場合には、その方向性をも合わせて制御しようとするものである。
全ての物質の中で、強磁性を示すものは少なく、ほとんどが前述の弱磁性物質である。そこで、弱磁性物質内部に磁場で誘起された磁気モーメント間の磁気相互作用が確認されれば、あらゆる種の物質を利用した分離プロセスや材料プロセスに新しいパラメーターとして磁場を用いることができることになり、今までに知られていないような新材料の創製などにも結びつく。
【００１２】
このような考えから、本発明は、弱磁性物質間の弱磁性体粒子磁気モーメント相互作用をあらわに観測すると共に、この磁気モーメント相互作用の応用技術、例えば、粒子集合体のマクロ構造の制御、凝集・分散の制御、分離を行うことができる粒子の制御方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕粒子の制御方法において、複数の常磁性物質ないし反磁性物質である弱磁性物質を強磁場中に入れたときに、前記弱磁性物質の個々の弱磁性体粒子の内部に誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント間に生じる磁気的な引力及び斥力相互作用を、前記個々の弱磁性体粒子の周囲粒子に対する相対的な位置を決定する駆動力として、前記弱磁性体の凝集及び分散状態を制御することにより、前記弱磁性体粒子同士を分離することを特徴とする。
【００１４】
〔２〕粒子の制御方法において、複数の常磁性物質ないし反磁性物質である弱磁性物質を強磁場中に入れたときに、前記弱磁性物質の個々の弱磁性体粒子の内部に誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント間に生じる磁気的な引力及び斥力相互作用を、前記個々の弱磁性体粒子の周囲粒子に対する相対的な位置を決定する駆動力として、前記弱磁性体の凝集及び分散状態を制御することにより、弱磁性体２分子膜間の距離を変えることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明では、数テスラ級の強磁場を得るために超伝導磁石を用いる。磁石の磁場強度と強度分布は、コイルに流す電流値を変えることにより連続的に変えることができるので、いろいろな磁場と磁場勾配を利用することができる。また、コイルの形状を工夫すれば、分布の形を変えることも可能である。
【００１６】
一般的には、磁場強度が強く、且つ強磁場を発生する領域での磁場強度の均一性の高いものを使うと、磁気相互作用を顕在化させることができる。なお、一つの例として、ソレノイド型の磁石では、一般に磁石のボア中心軸上の方が、軸上からはずれた領域に比べて磁場強度の均一性が高い。つまり試料はボア軸上にセットする方が、磁気相互作用を観測しやすい。
【００１７】
強磁場中に置かれた物質は、必ず何らかの磁気モーメントを持つ。したがって、複数個の物質を強磁場中に入れると、それらの間には必ず磁気モーメント相互作用が生じる。例として、反磁性物質Ａと常磁性物質Ｂの磁気相互作用について、以下に思考実験を行った結果を述べる。図１はその結果をまとめたものである。なお、この場合は、単純化するために、両者とも物質内部に磁気的な異方性はないと仮定する。
【００１８】
今、図１（ａ）に示すように、中空に弱磁性物質である磁化率が負の反磁性物質Ａの粒子を二つ（Ａ１とＡ２）並べた場合、並べる方向と磁場の方向が平行の場合（右欄）、二つの粒子（Ａ１とＡ２）には磁場方向と反対向きの磁気モーメントが誘起され、その結果、弱磁性体粒子間には引力相互作用が働く。また、磁場方向に垂直な方向に並んでいる場合（左欄）には、逆に斥力相互作用が働く。これは、磁化率の正負には関係なく、図１（ｃ）に示すように、磁化率が正である常磁性物質を二つ（Ｂ１とＢ２）を並べて同じことをやっても同じ種類の相互作用となる。
【００１９】
一方、図１（ｂ）に示すように、磁化率が負の反磁性物質Ａと磁化率が正である常磁性の物質Ｂを並べた場合は、それぞれに誘起された磁気モーメントはお互い逆向きになることから、磁場方向に平行に並べた場合（右欄）には斥力、磁場方向に垂直に並べた場合（左欄）には引力の相互作用が働く。
図１に示したのは、二つの弱磁性体粒子間の相互作用のみに関するものであるが、弱磁性体粒子の集合体があった場合でも同様に相互作用が働く。その場合、磁場中では、弱磁性体粒子間の相互作用により、最低エネルギー状態をとるように再配置させることが可能である。ランダムに並んでいた弱磁性体粒子に格子構造を組ませたり、周期構造の次元を変化させたり、格子の対称性を変化させたりすることも可能である。また、これらの効果は、形状や物質内の性質からくる磁気異方性によっても変化させることができる。このような、構造の制御は、磁場を使った自己組織化現象を可能にする。また、無磁場の下で生じるその他の弱い相互作用によって起こる自己組織化現象による高次構造を変化させることができる。
【００２０】
また、複数種の弱磁性体粒子が混じった粉体の場合は、磁場の不均一性によって、再配列された弱磁性体粒子は磁気ポテンシャルと重力ポテンシャルの和が最低になるように、空間的に移動する駆動力が与えられ、複数個の再配列凝集体を作製することが可能である。
この技術は、粉体の分離技術に応用することができる。すなわち、種々の方法で弱磁性体粒子の分離を行う際に、弱磁性体粒子の流動を促進ないし阻害することで、その分離を促進あるいは異なる速度で行わせることが可能である。全く溶媒を必要とせず、しかも、磁場を印加するだけという極めて簡単な操作で、ドライなままで粉体を分離させることも可能となり、新しい分離法を提供することができる。
【００２１】
磁気相互作用は、静的な系にも動的な系にも働く。したがって、連続的なプロセスへの応用も可能である。また、物質の応用範囲は、有機物から、無機物、金属など、幅広い範囲にまたがり、純物質である必要性もない。粉体などの製品の品質管理などにも、この磁気相互作用を用いた分離技術を利用できる。
（実施例）
磁石は、図２に示すように、φ１００ｍｍの室温空間ボアを持ち、最大１０テスラの磁場を発生させることができる伝導冷却型超伝導磁石１（住友重機械工業製；ＨＦ−１０−１００ＶＨＴ−５）を用いた。
【００２２】
図３は磁石ボア中心軸上での磁場Ｂおよび、磁場と磁場勾配の積Ｂ・∂Ｂ／∂ｚの分布を示す図であり、横軸に磁石ボア中心からの距離〔ｚ／ｍｍ〕、左縦軸は磁場〔Ｂ／Ｔ〕、右縦軸は磁場と磁場勾配の積〔（Ｂ・∂Ｂ／∂ｚ）／Ｔ2 ｍ-1〕である。
この図において、磁場Ｂおよび磁場と磁場勾配の積Ｂ・∂Ｂ／∂ｚの分布が示されており、その磁場と磁場勾配の積は、物質に働く磁気力に比例する量である。
【００２３】
弱磁性体２粒子間の磁気相互作用の観測には、大きな反磁性を示すグラファイトを用いた。グラファイトは、磁気異方性の大きい物質であるが、用いたグラファイトは単結晶ではない。グラファイト微粒子を固めたφ６ｍｍ円柱状ロッドから厚さ１ｍｍの円盤形に切り出し、それを半分に切って半月状にしたものである。重量磁化率は、全体としての平均値が５．３×１０-6（ｃｍ3 ／ｇ）程度であった。グラファイトは、その大きな磁化率のために、超伝導磁石ボア内に磁気浮上させることができる。
【００２４】
図４は半月状試料（グラファイト微粒子）が浮上したときの様子を撮影したもので、浮上位置での磁場強度はおよそ３．９テスラ（Ｔ）である。二つの半月状試料の間に１ｍｍ弱の隙間が空いていることが見て取れる。
磁気ポテンシャルは、ボアの中心軸を回転軸とした回転対称性を持つ。非接触で安定に磁気浮上する領域では、中心軸の磁気ポテンシャルがボア壁面よりも低い。つまり、２個の粒子を入れても、それらの間に相互作用が無ければ、二つは接触した状態で浮上するはずである。しかし、図４に示したように、二つが離れて浮上しているということは、これらの間には前述で予想されたような磁場中で誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント相互間の反発、あるいは引力相互作用が存在することを示している。
【００２５】
これは、強磁場中で誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント相互間の反発あるいは引力相互作用を初めて観測した例である。なお、グラファイトが浮上した領域は、径方向（図４の中で面に平行）の磁場勾配０．０２Ｔ／ｍ以下の磁場勾配が小さい領域である。
また、異種物質の粉末を同時に磁場中に入れた場合の粒子再配置については、次のような実験を行った。まず、ＳｕｃｒｏｓｅとＮａＣｌ（砂糖と塩）の粉末を５００ｍｇずつ秤量し、耐圧製のガラス内に入れ、３２気圧の酸素ガスを入れて密封する。中心磁場１０Ｔの磁場中に容器を入れると、磁気アルキメデス浮上状態が実現される。それぞれの種類の弱磁性体粒子は、弱磁性体粒子間の相互作用によって再配置されて、それぞれ一つの塊となって浮上した。
【００２６】
図５は上述のＳｕｃｒｏｓｅとＮａＣｌ粉末の実験写真と、それに加えＫＣｌ粉末とＮａＣｌ粉末で同様の実験を行った場合の実験写真を示す図である。図５（ａ）がＫＣｌ粉末とＮａＣｌ粉末での実験、図５（ｂ）がＳｕｃｒｏｓｅとＮａＣｌ粉末の実験写真を示す図である。
別々の位置に浮上するのは、図の中で縦方向の磁場勾配が非常に大きいことから、磁気ポテンシャルエネルギーと重力ポテンシャルエネルギーの和が最小になるように、弱磁性体粒子が移動したからである。このように、はっきりと物質が空間的に分離されることが示された。
【００２７】
また、市販のインスタントココア粉末を磁気アルキメデス浮上法を用いて浮上させると、それぞれの成分粉末は、図６に示すように、ココア、ミルク、砂糖と異なる高さの位置に分離浮上する。このとき、最初は粉末は混合したままで浮上するが、１〜２分のうちに粉体中の各粒子はそれぞれに位置の再配列を行いつつ、異なる種類の弱磁性体粒子ごとに集合して、分離する。
【００２８】
また、コロイド懸濁粒子が示す高次構造を磁場で制御するための実験として、ジオクタデシルジメチルアンモニウムクロライド（ＤＯＡＣ）水溶液に関する実験を行った。この物質では、磁場なしの場合には、弱磁性体２分子膜間の弱い相互作用が存在し、膜が規則的に配列する〔図７（ａ）参照〕。しかし、強磁場を印加すると、この弱磁性体２分子膜の間に磁気モーメント相互作用が生じる〔図７（ｂ）参照〕。本コロイド懸濁系は、作製する際に無磁場で作製した場合と、１０テスラの磁場中で作製した場合とで、弱磁性体粒子の高次構造により生じる干渉効果によって現れる色調に差異が認められた。図７はコロイド粒子の再配列の一例を模式的に描いたもので、物質の磁性や磁場の向きによって、構造変化の様子は異なる。
【００２９】
以上の結果から、本発明の効果は明らかである。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（Ａ）弱磁性体粒子集合体の大きさに比べ、比較的広い領域で安定した強磁場（１テスラないしそれ以上）を得られるような超伝導磁石を用いるようにしたので、強磁場によって磁気相互作用が増幅され、観測が容易になるとともに、実用プロセスとして有用な効果を生じさせるに十分な強さとすることができる。
【００３１】
（Ｂ）物質の磁気的性質、弱磁性体粒子間の距離、大きさなどと磁場の空間的分布から相互作用の大きさを見積もることができるので、実際の系においてその有効性を評価することができる。また、磁場強度や物質を変化させることによって、相互作用の大きさの変化を観測することも可能である。
（Ｃ）相互作用の存在の真偽を知るためには、試料を気体や液体媒体中に磁気浮上状態にするか、あるいは、摩擦の少ない繊維状のもので吊るし、試料と容器底面（壁面）などとの間の大きな摩擦力がなくなるようにすることにより、相互作用の観測がより容易になる。このとき、媒体の流動、機械的振動、磁場の振動などをなくすことによって、さらに安定した観測が可能になる。
【００３２】
（Ｄ）強磁場中で誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント相互間の反発あるいは引力相互作用を、粉体あるいはコロイドなどの粒子集合体のプロセスに有効に活用することができる。このためには、粒子集合体において、各粒子が互いに凝集しようとする力がなるべく小さいことが望ましい。このために、分散性の良い粒子を用いるとともに分散性を向上させるために一般に用いられる処理を活用することも可能である。
【００３３】
（Ｅ）強磁場中に置かれた弱磁性体内に誘起された磁気モーメント相互間の引力または斥力相互作用を、粒子集合体または分散体の再配置に利用するものである。この効果は、粒子集合体または分散体の高次構造の相転移を引き起こしたり、あるいは流動性に変化を与えたりすることができ、粒子集合体の分離プロセスなどに活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 磁場中での反磁性粒子及び常磁性粒子の相互作用の様子を示す図である。
【図２】 伝導冷却型超伝導磁石の外観図である。
【図３】 磁石ボア中心軸上での磁場Ｂおよび磁場と磁場勾配の積Ｂ・∂Ｂ／∂ｚの分布を示す図である。
【図４】 グラファイト内部に誘起された磁気モーメント間の相互作用によって、二つの半月状試料（グラファイト微粒子）が離れて浮いたものを撮影した図である。
【図５】 粒子集合体の再配列と磁気分離作用の実験において、砂糖と塩を使った場合の結果及びＫＣｌとＮａＣｌを使った場合の結果の写真を示す図である。
【図６】 図５と同様に市販ココアを使った実験結果の写真を示す図である。
【図７】 コロイド懸濁粒子が磁場によって再配列を生じ構造が変化する際の模式図である。
【符号の説明】
１ 伝導冷却型超伝導磁石
Ａ，Ａ１，Ａ２ 磁化率が負の反磁性物質
Ｂ，Ｂ１，Ｂ２ 磁化率が正である常磁性物質
【発明の属する技術分野】
本発明は、強磁場中に置かれた物質間の弱磁性体粒子の磁気的引力・斥力相互作用を利用することによる、粒子集合体の凝集や分散、再配置を制御する弱磁性体粒子の制御方法に係り、マクロな構造の制御や分離技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、例えば、
（１）Ｙａｓｕｈｉｒｏ Ｉｋｅｚｏｅ，Ｎｏｒｉｙｕｋｉ Ｈｉｒｏｔａ，Ｊｕｎ Ｎａｋａｇａｗａ ａｎｄ Ｋｏｉｃｈｉ Ｋｉｔａｚａｗａ，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．３９３，７４９−７５０（１９９８）
（２）特開平１１−１１４４０９号公報：「物体の位置制御方法および物体の位置制御装置」
（３）Ｎａｏｋｉ Ｓａｔｏｈ ａｎｄ Ｋａｏｒｕ Ｔｓｕｊｉｉ，Ｊ．ｏｆ Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｖｏｌ．９１，Ｎｏ．２７，６６２９−６６３２（１９８７）
などに開示されている。
【０００３】
強磁性体のように、磁場に対する応答が非常に大きい物質は、物質間の磁気的相互作用も大きく、永久磁石のＮ極とＳ極が引き合う事実が知られているように従来からよく研究されている。しかし、反磁性物質や常磁性物質のような弱磁性物質は、自発磁化が無く、磁場によって誘起される磁気モーメントも非常に小さいために、個々の物質間の磁気モーメント相互作用に関しては無視されてきた。二つのモーメント間の相互作用は、静磁気学によれば、次式で表される。
【０００４】
【数１】
粒子間の磁気モーメント相互作用は、物質の磁化率が大きいほど、また粒子の大きさが大きいほど、さらに磁場強度が強いほど顕著になる。しかし、弱磁性物質の磁化率はＳＩ単位系で１０-5程度の大きさしかない。したがって、磁場中に置かれた物体間に前述の相互作用が存在していたとしても、それだけを取り出して観測するのは通常非常に困難である。
【０００７】
この力は熱エネルギーによる攪乱（ブラウン運動）にかき消され、あるいはまた、粒子周辺における磁場強度の空間的な勾配により、粒子全体が磁場勾配による磁気ポテンシャルエネルギーの有利な方向に移動してしまうからである。このことが、これまで、前述の相互作用の存在があらわに認識されてこなかった理由である。それゆえ、この磁気相互作用を、粒子集合体のマクロ構造の制御、凝集・分散の制御、分離技術などに応用した例も、もちろん見受けられない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
１テスラ（Ｔ）以上の強磁場になると、後述の実施例のように、このような力、すなわち、磁場中で誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント相互間の反発あるいは引力相互作用の存在を確かめることができる。そのような力の存在は、弱磁性体粒子集合体において個々の粒子が、周囲粒子に対して相対的に自分自身の位置を決定する駆動力となる。本発明はその駆動力を有効に活用しようとするものである。
【０００９】
すなわち、磁場がかけられていない状態と比較すると、磁場中では最安定な弱磁性体粒子の相対的配列が異なることを利用して、弱磁性体粒子の配列を変化させることができる。これにより、例えば、強磁場の印加方向に依存して、弱磁性体粒子の流動を容易にしたり、あるいは、逆に弱磁性体粒子の流動を起こりにくくすることができる。このような効果は、粉体やコロイド粒子系の分離を行う場合に有効である。
【００１０】
あるいは、弱磁性体粒子が互いに緩やかに相互作用して、ある配置を形成していた場合、強磁場の印加によりその配置形態を変化させることができる。無磁場の下での、このような弱磁性体粒子の配置形態は、弱磁性体粒子系が示す高次構造として知られており、異なる複数の弱磁性体粒子系高次構造の間に相転移が生じることも知られている。
【００１１】
本発明は、強磁場の印加により、このような高次構造間の相転移を促進したり、あるいは、従来と異なる高次構造を得ることを可能にする。さらに、高次構造が等方的でなく方向性を有する場合には、その方向性をも合わせて制御しようとするものである。
全ての物質の中で、強磁性を示すものは少なく、ほとんどが前述の弱磁性物質である。そこで、弱磁性物質内部に磁場で誘起された磁気モーメント間の磁気相互作用が確認されれば、あらゆる種の物質を利用した分離プロセスや材料プロセスに新しいパラメーターとして磁場を用いることができることになり、今までに知られていないような新材料の創製などにも結びつく。
【００１２】
このような考えから、本発明は、弱磁性物質間の弱磁性体粒子磁気モーメント相互作用をあらわに観測すると共に、この磁気モーメント相互作用の応用技術、例えば、粒子集合体のマクロ構造の制御、凝集・分散の制御、分離を行うことができる粒子の制御方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕粒子の制御方法において、複数の常磁性物質ないし反磁性物質である弱磁性物質を強磁場中に入れたときに、前記弱磁性物質の個々の弱磁性体粒子の内部に誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント間に生じる磁気的な引力及び斥力相互作用を、前記個々の弱磁性体粒子の周囲粒子に対する相対的な位置を決定する駆動力として、前記弱磁性体の凝集及び分散状態を制御することにより、前記弱磁性体粒子同士を分離することを特徴とする。
【００１４】
〔２〕粒子の制御方法において、複数の常磁性物質ないし反磁性物質である弱磁性物質を強磁場中に入れたときに、前記弱磁性物質の個々の弱磁性体粒子の内部に誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント間に生じる磁気的な引力及び斥力相互作用を、前記個々の弱磁性体粒子の周囲粒子に対する相対的な位置を決定する駆動力として、前記弱磁性体の凝集及び分散状態を制御することにより、弱磁性体２分子膜間の距離を変えることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明では、数テスラ級の強磁場を得るために超伝導磁石を用いる。磁石の磁場強度と強度分布は、コイルに流す電流値を変えることにより連続的に変えることができるので、いろいろな磁場と磁場勾配を利用することができる。また、コイルの形状を工夫すれば、分布の形を変えることも可能である。
【００１６】
一般的には、磁場強度が強く、且つ強磁場を発生する領域での磁場強度の均一性の高いものを使うと、磁気相互作用を顕在化させることができる。なお、一つの例として、ソレノイド型の磁石では、一般に磁石のボア中心軸上の方が、軸上からはずれた領域に比べて磁場強度の均一性が高い。つまり試料はボア軸上にセットする方が、磁気相互作用を観測しやすい。
【００１７】
強磁場中に置かれた物質は、必ず何らかの磁気モーメントを持つ。したがって、複数個の物質を強磁場中に入れると、それらの間には必ず磁気モーメント相互作用が生じる。例として、反磁性物質Ａと常磁性物質Ｂの磁気相互作用について、以下に思考実験を行った結果を述べる。図１はその結果をまとめたものである。なお、この場合は、単純化するために、両者とも物質内部に磁気的な異方性はないと仮定する。
【００１８】
今、図１（ａ）に示すように、中空に弱磁性物質である磁化率が負の反磁性物質Ａの粒子を二つ（Ａ１とＡ２）並べた場合、並べる方向と磁場の方向が平行の場合（右欄）、二つの粒子（Ａ１とＡ２）には磁場方向と反対向きの磁気モーメントが誘起され、その結果、弱磁性体粒子間には引力相互作用が働く。また、磁場方向に垂直な方向に並んでいる場合（左欄）には、逆に斥力相互作用が働く。これは、磁化率の正負には関係なく、図１（ｃ）に示すように、磁化率が正である常磁性物質を二つ（Ｂ１とＢ２）を並べて同じことをやっても同じ種類の相互作用となる。
【００１９】
一方、図１（ｂ）に示すように、磁化率が負の反磁性物質Ａと磁化率が正である常磁性の物質Ｂを並べた場合は、それぞれに誘起された磁気モーメントはお互い逆向きになることから、磁場方向に平行に並べた場合（右欄）には斥力、磁場方向に垂直に並べた場合（左欄）には引力の相互作用が働く。
図１に示したのは、二つの弱磁性体粒子間の相互作用のみに関するものであるが、弱磁性体粒子の集合体があった場合でも同様に相互作用が働く。その場合、磁場中では、弱磁性体粒子間の相互作用により、最低エネルギー状態をとるように再配置させることが可能である。ランダムに並んでいた弱磁性体粒子に格子構造を組ませたり、周期構造の次元を変化させたり、格子の対称性を変化させたりすることも可能である。また、これらの効果は、形状や物質内の性質からくる磁気異方性によっても変化させることができる。このような、構造の制御は、磁場を使った自己組織化現象を可能にする。また、無磁場の下で生じるその他の弱い相互作用によって起こる自己組織化現象による高次構造を変化させることができる。
【００２０】
また、複数種の弱磁性体粒子が混じった粉体の場合は、磁場の不均一性によって、再配列された弱磁性体粒子は磁気ポテンシャルと重力ポテンシャルの和が最低になるように、空間的に移動する駆動力が与えられ、複数個の再配列凝集体を作製することが可能である。
この技術は、粉体の分離技術に応用することができる。すなわち、種々の方法で弱磁性体粒子の分離を行う際に、弱磁性体粒子の流動を促進ないし阻害することで、その分離を促進あるいは異なる速度で行わせることが可能である。全く溶媒を必要とせず、しかも、磁場を印加するだけという極めて簡単な操作で、ドライなままで粉体を分離させることも可能となり、新しい分離法を提供することができる。
【００２１】
磁気相互作用は、静的な系にも動的な系にも働く。したがって、連続的なプロセスへの応用も可能である。また、物質の応用範囲は、有機物から、無機物、金属など、幅広い範囲にまたがり、純物質である必要性もない。粉体などの製品の品質管理などにも、この磁気相互作用を用いた分離技術を利用できる。
（実施例）
磁石は、図２に示すように、φ１００ｍｍの室温空間ボアを持ち、最大１０テスラの磁場を発生させることができる伝導冷却型超伝導磁石１（住友重機械工業製；ＨＦ−１０−１００ＶＨＴ−５）を用いた。
【００２２】
図３は磁石ボア中心軸上での磁場Ｂおよび、磁場と磁場勾配の積Ｂ・∂Ｂ／∂ｚの分布を示す図であり、横軸に磁石ボア中心からの距離〔ｚ／ｍｍ〕、左縦軸は磁場〔Ｂ／Ｔ〕、右縦軸は磁場と磁場勾配の積〔（Ｂ・∂Ｂ／∂ｚ）／Ｔ2 ｍ-1〕である。
この図において、磁場Ｂおよび磁場と磁場勾配の積Ｂ・∂Ｂ／∂ｚの分布が示されており、その磁場と磁場勾配の積は、物質に働く磁気力に比例する量である。
【００２３】
弱磁性体２粒子間の磁気相互作用の観測には、大きな反磁性を示すグラファイトを用いた。グラファイトは、磁気異方性の大きい物質であるが、用いたグラファイトは単結晶ではない。グラファイト微粒子を固めたφ６ｍｍ円柱状ロッドから厚さ１ｍｍの円盤形に切り出し、それを半分に切って半月状にしたものである。重量磁化率は、全体としての平均値が５．３×１０-6（ｃｍ3 ／ｇ）程度であった。グラファイトは、その大きな磁化率のために、超伝導磁石ボア内に磁気浮上させることができる。
【００２４】
図４は半月状試料（グラファイト微粒子）が浮上したときの様子を撮影したもので、浮上位置での磁場強度はおよそ３．９テスラ（Ｔ）である。二つの半月状試料の間に１ｍｍ弱の隙間が空いていることが見て取れる。
磁気ポテンシャルは、ボアの中心軸を回転軸とした回転対称性を持つ。非接触で安定に磁気浮上する領域では、中心軸の磁気ポテンシャルがボア壁面よりも低い。つまり、２個の粒子を入れても、それらの間に相互作用が無ければ、二つは接触した状態で浮上するはずである。しかし、図４に示したように、二つが離れて浮上しているということは、これらの間には前述で予想されたような磁場中で誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント相互間の反発、あるいは引力相互作用が存在することを示している。
【００２５】
これは、強磁場中で誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント相互間の反発あるいは引力相互作用を初めて観測した例である。なお、グラファイトが浮上した領域は、径方向（図４の中で面に平行）の磁場勾配０．０２Ｔ／ｍ以下の磁場勾配が小さい領域である。
また、異種物質の粉末を同時に磁場中に入れた場合の粒子再配置については、次のような実験を行った。まず、ＳｕｃｒｏｓｅとＮａＣｌ（砂糖と塩）の粉末を５００ｍｇずつ秤量し、耐圧製のガラス内に入れ、３２気圧の酸素ガスを入れて密封する。中心磁場１０Ｔの磁場中に容器を入れると、磁気アルキメデス浮上状態が実現される。それぞれの種類の弱磁性体粒子は、弱磁性体粒子間の相互作用によって再配置されて、それぞれ一つの塊となって浮上した。
【００２６】
図５は上述のＳｕｃｒｏｓｅとＮａＣｌ粉末の実験写真と、それに加えＫＣｌ粉末とＮａＣｌ粉末で同様の実験を行った場合の実験写真を示す図である。図５（ａ）がＫＣｌ粉末とＮａＣｌ粉末での実験、図５（ｂ）がＳｕｃｒｏｓｅとＮａＣｌ粉末の実験写真を示す図である。
別々の位置に浮上するのは、図の中で縦方向の磁場勾配が非常に大きいことから、磁気ポテンシャルエネルギーと重力ポテンシャルエネルギーの和が最小になるように、弱磁性体粒子が移動したからである。このように、はっきりと物質が空間的に分離されることが示された。
【００２７】
また、市販のインスタントココア粉末を磁気アルキメデス浮上法を用いて浮上させると、それぞれの成分粉末は、図６に示すように、ココア、ミルク、砂糖と異なる高さの位置に分離浮上する。このとき、最初は粉末は混合したままで浮上するが、１〜２分のうちに粉体中の各粒子はそれぞれに位置の再配列を行いつつ、異なる種類の弱磁性体粒子ごとに集合して、分離する。
【００２８】
また、コロイド懸濁粒子が示す高次構造を磁場で制御するための実験として、ジオクタデシルジメチルアンモニウムクロライド（ＤＯＡＣ）水溶液に関する実験を行った。この物質では、磁場なしの場合には、弱磁性体２分子膜間の弱い相互作用が存在し、膜が規則的に配列する〔図７（ａ）参照〕。しかし、強磁場を印加すると、この弱磁性体２分子膜の間に磁気モーメント相互作用が生じる〔図７（ｂ）参照〕。本コロイド懸濁系は、作製する際に無磁場で作製した場合と、１０テスラの磁場中で作製した場合とで、弱磁性体粒子の高次構造により生じる干渉効果によって現れる色調に差異が認められた。図７はコロイド粒子の再配列の一例を模式的に描いたもので、物質の磁性や磁場の向きによって、構造変化の様子は異なる。
【００２９】
以上の結果から、本発明の効果は明らかである。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（Ａ）弱磁性体粒子集合体の大きさに比べ、比較的広い領域で安定した強磁場（１テスラないしそれ以上）を得られるような超伝導磁石を用いるようにしたので、強磁場によって磁気相互作用が増幅され、観測が容易になるとともに、実用プロセスとして有用な効果を生じさせるに十分な強さとすることができる。
【００３１】
（Ｂ）物質の磁気的性質、弱磁性体粒子間の距離、大きさなどと磁場の空間的分布から相互作用の大きさを見積もることができるので、実際の系においてその有効性を評価することができる。また、磁場強度や物質を変化させることによって、相互作用の大きさの変化を観測することも可能である。
（Ｃ）相互作用の存在の真偽を知るためには、試料を気体や液体媒体中に磁気浮上状態にするか、あるいは、摩擦の少ない繊維状のもので吊るし、試料と容器底面（壁面）などとの間の大きな摩擦力がなくなるようにすることにより、相互作用の観測がより容易になる。このとき、媒体の流動、機械的振動、磁場の振動などをなくすことによって、さらに安定した観測が可能になる。
【００３２】
（Ｄ）強磁場中で誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント相互間の反発あるいは引力相互作用を、粉体あるいはコロイドなどの粒子集合体のプロセスに有効に活用することができる。このためには、粒子集合体において、各粒子が互いに凝集しようとする力がなるべく小さいことが望ましい。このために、分散性の良い粒子を用いるとともに分散性を向上させるために一般に用いられる処理を活用することも可能である。
【００３３】
（Ｅ）強磁場中に置かれた弱磁性体内に誘起された磁気モーメント相互間の引力または斥力相互作用を、粒子集合体または分散体の再配置に利用するものである。この効果は、粒子集合体または分散体の高次構造の相転移を引き起こしたり、あるいは流動性に変化を与えたりすることができ、粒子集合体の分離プロセスなどに活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 磁場中での反磁性粒子及び常磁性粒子の相互作用の様子を示す図である。
【図２】 伝導冷却型超伝導磁石の外観図である。
【図３】 磁石ボア中心軸上での磁場Ｂおよび磁場と磁場勾配の積Ｂ・∂Ｂ／∂ｚの分布を示す図である。
【図４】 グラファイト内部に誘起された磁気モーメント間の相互作用によって、二つの半月状試料（グラファイト微粒子）が離れて浮いたものを撮影した図である。
【図５】 粒子集合体の再配列と磁気分離作用の実験において、砂糖と塩を使った場合の結果及びＫＣｌとＮａＣｌを使った場合の結果の写真を示す図である。
【図６】 図５と同様に市販ココアを使った実験結果の写真を示す図である。
【図７】 コロイド懸濁粒子が磁場によって再配列を生じ構造が変化する際の模式図である。
【符号の説明】
１ 伝導冷却型超伝導磁石
Ａ，Ａ１，Ａ２ 磁化率が負の反磁性物質
Ｂ，Ｂ１，Ｂ２ 磁化率が正である常磁性物質
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- 複数の常磁性物質ないし反磁性物質である弱磁性物質を強磁場中に入れたときに、前記弱磁性物質の個々の弱磁性体粒子の内部に誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント間に生じる磁気的な引力及び斥力相互作用を、前記個々の弱磁性体粒子の周囲粒子に対する相対的な位置を決定する駆動力として、前記弱磁性体の凝集及び分散状態を制御することにより、前記弱磁性体粒子同士を分離することを特徴とする粒子の制御方法。
- 複数の常磁性物質ないし反磁性物質である弱磁性物質を強磁場中に入れたときに、前記弱磁性物質の個々の弱磁性体粒子の内部に誘起された弱磁性体粒子磁気モーメント間に生じる磁気的な引力及び斥力相互作用を、前記個々の弱磁性体粒子の周囲粒子に対する相対的な位置を決定する駆動力として、前記弱磁性体の凝集及び分散状態を制御することにより、弱磁性体２分子膜間の距離を変えることを特徴とする粒子の制御方法。
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