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: Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck 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: Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck 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 Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck 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 Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck 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 19 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 21 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 … und der Igel?! Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck 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) Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck 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) Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck Folie 25 weitere „Anwendung“: Kunstobjekte www.physicscentral.com (7) www.organicui.org www.organicui.org Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck 26 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) Ferrofluide ‐ Manuel Bastuck Folie 27
