Physikalische Grundlagen

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Ferrofluide
Physikalische Grundlagen
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ferrofluid_close.jpg
Inhalt
• Definition
• Herstellung
• Maßnahmen zur Stabilisierung
Abschätzung der Partikelgröße, Abstandsmechanismen
• physikalische Eigenschaften & Anwendungen
Superparamagnetismus, magnetoviskose Effekte
• Rosensweig‐Instabilität
Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck
Folie 2
Definition
Definition und Abgrenzung
Magnetische Flüssigkeiten
Ferrofluide
Magnetorheologische Flüssigkeiten
stabile kolloidale Suspension von ferro‐/ferrimagnetischen Partikeln (<10nm) in einer Trägerflüssigkeit
Suspension von ferro‐
/ferrimagnetischen Partikeln (µm) in einer Trägerflüssigkeit (Wasser, Öl)
„stabil“: keine Agglomeration oder Segregation (zeitlich oder in starken Magnetfeldern)
Sedimentation, Verfestigung in starken Magnetfeldern
Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck
Folie 3
Definition
Definition und Abgrenzung
Magnetische Flüssigkeiten
Ferrofluide
Magnetorheologische Flüssigkeiten
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Ferrofluid_in_magnetic_field.jpg
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:MRF_zwischen_zwei_Permanentmagneten.JPG
Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck
Folie 4
Herstellung
top‐down
Herstellung
Gemisch aus Magnetpulver (µm‐
Partikel), Löse‐ und Dispersionsmittel wird mehrere Wochen lang in einer Kugelmühle gemahlen
bottom‐up
Magnetit‐Partikel, Größenordnung: 10 nm
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=
Datei:Kugelm%C3%BChle.PNG
chemische Abscheidung:
2 FeCl2 + FeCl3 + NaOH Fe3O4 + 8 NaCl + 4 H2O
Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck
Folie 5
Maßnahmen zur Stabilisierung
Obergrenze der Teilchengröße
Größenordnung Weissscher Bezirke
(Gebiete mit paralleler Ausrichtung der Elementarmagnete): 10‐5 … 10‐3 m
⇨ kleinere Teilchen sind „automatisch“
ferromagnetisch, da sich nur eine Domäne (mit nicht verschwindendem magnetischen Moment) ausbildet
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:NdFeB‐Domains.jpg
Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck
Folie 6
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 Eth ≈ kBT sein
Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck
Folie 7
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
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:
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Folie 9
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
Maßnahmen zur Stabilisierung
Stabilität gegen magnetische Agglomeration (4)
maximale magnetische Energie kleiner als thermische Energie:
Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck
Folie 11
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
Maßnahmen zur Stabilisierung
Stabilität gegen magnetische Feldgradienten (2)
magnetische Energie kleiner als thermische Energie:
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Folie 13
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
Maßnahmen zur Stabilisierung
Stabilität gegen Sedimentation (2)
potentielle Energie kleiner als thermische Energie:
Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck
Folie 15
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 Voraussetzung: thermische größer als vdW‐Energie
groß für geringe Abstände!
Modell: kleine (Größenordnung nm) , polarisierbare Kugeln
✘
Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck
✔
Folie 16
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
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Folie 17
Maßnahmen zur Stabilisierung
Die 2. Lösung: Elektrostatische Abstoßung
• geeignet für polare Lösungsmittel (z.B. Wasser)
• Bedeckung der Partikel mit Ionen (typ. 10 µC/cm2)
• Coulomb‐Abstoßung führt zu abstoßender Kraft
s
F
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Folie 18
Physikalische Eigenschaften
Superparamagnetismus (1)
Magnetit
(ferromagnetisch)
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Hysteresiskurve.svg
Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck
Ferrofluid (superparamagnetisch)
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Hysteresis_superparamag.JPG
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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
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Permeability_by_Zureks.svg
Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck
Folie 20
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
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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
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… und der Igel?!
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Folie 23
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)
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Folie 24
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)
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Folie 25
weitere „Anwendung“: Kunstobjekte
www.physicscentral.com
(7)
www.organicui.org
www.organicui.org
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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) www.uni‐saarland.de/fak7/luecke/SFB/index.html (08.01.12)
(6) www.ferrofluide.de (08.01.12)
(7) www.wikipedia.org (08.01.12)
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Folie 27
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