Ferrofluide. Physikalische Grundlagen.

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1 Ferrofluide Physikalische Grundlagen

2 Inhalt Definition Herstellung Maßnahmen zur Stabilisierung Abschätzung der Partikelgröße, Abstandsmechanismen physikalische Eigenschaften & Anwendungen Superparamagnetismus, magnetoviskose Effekte Rosensweig Instabilität Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 2

3 Definition Definition und Abgrenzung Magnetische Flüssigkeiten Ferrofluide stabile kolloidale Suspension von ferro /ferrimagnetischen Partikeln (<10nm) in einer Trägerflüssigkeit stabil : keine Agglomeration oder Segregation (zeitlich oder in starken Magnetfeldern) Magnetorheologische Flüssigkeiten Suspension von ferro /ferrimagnetischen Partikeln (µm) in einer Trägerflüssigkeit (Wasser, Öl) Sedimentation, Verfestigung in starken Magnetfeldern Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 3

4 Definition Definition und Abgrenzung Magnetische Flüssigkeiten Ferrofluide Magnetorheologische Flüssigkeiten Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 4

5 Herstellung Herstellung top down Gemisch aus Magnetpulver (µm Partikel), Löse und Dispersionsmittel wird mehrere Wochen lang in einer Kugelmühle gemahlen Magnetit Partikel, Größenordnung: 10 nm Datei:Kugelm%C3%BChle.PNG bottom up chemische Abscheidung: 2 FeCl 2 + FeCl 3 + NaOH Fe 3 O NaCl + 4 H 2 O Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 5

6 Maßnahmen zur Stabilisierung Obergrenze der Teilchengröße Größenordnung Weissscher Bezirke (Gebiete mit paralleler Ausrichtung der Elementarmagnete): m kleinere Teilchen sind automatisch ferromagnetisch, da sich nur eine Domäne (mit nicht verschwindendem magnetischen Moment) ausbildet Domains.jpg Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 6

7 Maßnahmen zur Stabilisierung ABER das ist lediglich ein Kriterium für eine magnetische Flüssigkeit. Wichtige Eigenschaft von Ferrofluiden: Stabilität! Stabilität gegen magnetische Agglomeration (Kettenbildung) Stabilität gegen magnetische Feldgradienten Stabilität gegen Sedimentation Stabilität gegen van der Waals Kräfte Relaxationsmechanismen nach Brown (Bewegung der Teilchen) oder Néel (Reorientierung des magnetischen Moments im Gitter) thermisch aktiviert, entsprechende Energien müssen also klein gegenüber E th k B T sein Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 7

8 Maßnahmen zur Stabilisierung Stabilität gegen magnetische Agglomeration (1) Ziel: Vermeidung von Agglomeration durch Dipol Dipol WW Voraussetzung: thermische größer als magnetische Energie Modell: magnetische (Punkt )Dipole in harten Kugeln Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 8

9 Maßnahmen zur Stabilisierung Stabilität gegen magnetische Agglomeration (2) durch Punktdipol 1 erzeugtes magnetisches Feld: d V Sättigungsmagnetisierung pro Volumen Energie des Punktdipols 2 in diesem Feld: Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 9

10 Maßnahmen zur Stabilisierung Stabilität gegen magnetische Agglomeration (3) Energie der Dipol Dipol Wechselwirkung: maximale Energie unter Annahme identischer, paralleler Dipole: Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 10

11 Maßnahmen zur Stabilisierung Stabilität gegen magnetische Agglomeration (4) maximale magnetische Energie kleiner als thermische Energie: Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 11

12 Maßnahmen zur Stabilisierung Stabilität gegen magnetische Feldgradienten (1) Ziel: Vermeidung von Segregation durch Feldgradienten Voraussetzung: thermische größer als magnetische Energie Modell: magnetische (Punkt )Dipole in harten Kugeln Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 12

13 Maßnahmen zur Stabilisierung Stabilität gegen magnetische Feldgradienten (2) magnetische Energie kleiner als thermische Energie: Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 13

14 Maßnahmen zur Stabilisierung Stabilität gegen Sedimentation (1) Ziel: Vermeidung von Absetzen der Partikel am Boden Voraussetzung: thermische größer als potentielle Energie Modell: schwere Kugeln in Flüssigkeit Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 14

15 Maßnahmen zur Stabilisierung Stabilität gegen Sedimentation (2) potentielle Energie kleiner als thermische Energie: Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 15

16 Maßnahmen zur Stabilisierung Stabilität gegen van der Waals Kräfte (1) Ziel: Vermeidung von Agglomeration durch van der Waals Kräfte Problem: van der Waals Kräfte werden sehr groß für geringe Abstände! Voraussetzung: thermische größer als vdw Energie Modell: kleine (Größenordnung nm), polarisierbare Kugeln Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 16

17 Maßnahmen zur Stabilisierung Die 1. Lösung: Sterische Abstoßung sterisch räumlich Aufbringen von Molekülketten (Tenside, ca. 2nm lang) auf die magnetischen Partikel Verminderung des verfügbaren Volumens pro Molekül bei Annäherung führt zu abstoßender Kraft s F Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 17

18 Maßnahmen zur Stabilisierung Die 2. Lösung: Elektrostatische Abstoßung geeignet für polare Lösungsmittel (z.b. Wasser) Bedeckung der Partikel mit Ionen (typ. 10 µc/cm 2 ) Coulomb Abstoßung führt zu abstoßender Kraft s F Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 18

19 Physikalische Eigenschaften Superparamagnetismus (1) Magnetit (ferromagnetisch) Ferrofluid (superparamagnetisch) Ferrofluide Manuel Bastuck 19

20 Physikalische Eigenschaften Superparamagnetismus (2) Suszeptibilität (Magnetisierbarkeit) von je drei paramagnetischen Materialien (links), Ferrofluiden auf Magnetit Basis (Mitte) und Ferromagneten (rechts) Magnetisierbarkeit superparamagnetischer Materialien liegt zwischen der von Para und Ferromagneten, keine Hystere Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 20

21 Physikalische Eigenschaften Magnetoviskose Effekte Teilchen werden durch Scherströmung in Rotation versetzt oben: Rotationsachse und magnetisches Moment parallel, keine Einschränkungen unten: Rotation dreht magnetisches Moment aus Magnetfeld Richtung Energiedissipation, höhere Viskosität Ferrofluide Manuel Bastuck 21

22 Anwendungen Technische Anwendungen Dichtungen an rotierenden Wellen (z.b. Festplatte) Wärmeabführung (z.b. Lautsprecher) veränderbare Viskosität (dynamische Dämpfung) drug targeting (Festhalten von angekoppelten Medikamenten in bestimmten Körperregionen) Hyperthermie (Erhitzen von Tumorzellen durch hochfrequente magnetische Felder) MRT Kontrastmittel Ferrofluide Manuel Bastuck 22

23 und der Igel?! Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 23

24 Rosensweig Instabilität Rosensweig Instabilität (1) Oberflächendeformation ( Stacheln ) bei Überschreitung einer kritischen Feldstärke senkrecht zur Oberfläche (daher auch Normalfeld Instabilität ) analytische / quantitative Beschreibung sehr kompliziert, deshalb: kurze phänomenologische Betrachtung (2) Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 24

25 Rosensweig Instabilität Rosensweig Instabilität (2) Prinzip der Energieminimierung: Oberflächen und potentielle Energie minimal bei flacher Oberfläche magnetische Energie minimal im Material (Dipole richten sich aus und schwächen Feld) (2) Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 25

26 weitere Anwendung : Kunstobjekte (7) Ferrofluide Manuel Bastuck 26

27 Quellen (1) C. Scherer and A. M. Figueiredo Neto, Ferrofluids: Properties and Applications (2) Dr. Adrian Lange, Instabilitäten magnetischer Flüssigkeiten in statischen Magnetfeldern (3) R. E. Rosensweig, Ferrohydrodynamics (4) Stefan Odenbach, Ferrofluide Ihre Grundlagen und Anwendungen (5) saarland.de/fak7/luecke/sfb/index.html ( ) (6) ( ) (7) ( ) Ferrofluide Manuel Bastuck Folie 27

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