FERROFLUIDO


Nos últimos anos, os pesquisadores prepararam ferrofluidos, que têm as propriedades fluidas de um líquido e as propriedades magnéticas de um sólido. Os ferrofluidos na verdade contêm pequenas partículas (~ 10 nm de diâmetro) de um sólido magnético suspenso em um meio líquido.

Ferrofluidos foram originalmente descobertos na década de 1960 no Centro de Pesquisa da NASA, onde os cientistas estavam investigando diferentes métodos possíveis de controle de líquidos no espaço. Os benefícios de um fluido magnético eram imediatamente óbvios: a localização do fluido podia ser controlada com precisão através da aplicação de um campo magnético e, variando a força do campo, os fluidos podiam ser forçados a fluir. Pesquisadores prepararam ferrofluidos contendo pequenas partículas de metais ferromagnéticos, como cobalto e ferro, além de compostos magnéticos, como ferrita de zinco e manganês, Zn x Mn 1-x Fe 2 O 4.. (0 <x <1; esta é uma família de soluções sólidas). Mas, de longe, o maior trabalho foi realizado em ferrofluidos contendo pequenas partículas de magnetita, Fe 3 O 4 .

Como Funciona

Ferrofluidos contendo magnetite pode ser preparado por combinação de quantidades apropriadas de um sal de Fe (II) e um (III) de sal de Fe em solução de base, uma combinação que faz com que o óxido de valência mista, Fe 3 O 4 , a precipitar da solução:

2 FeCl 3 + FeCl 2 + 8 NH 3 + 4H 2 O -> Fe 3 O 4 + 8 NH 4 Cl

No entanto, as partículas de magnetita devem permanecer pequenas para permanecerem suspensas no meio líquido. Para mantê-las pequenas, as interações magnéticas e van der Waals devem ser superadas para evitar que as partículas se aglomerem. O movimento térmico de partículas de magnetita menores que ~ 10 nm de diâmetro é suficiente para evitar a aglomeração devido a interações magnéticas.

A atração van der Waals entre duas partículas é mais forte quando as partículas se aproximam umas das outras em distâncias próximas. Portanto, um método para evitar aglomeração devido a van der Waals e forças magnéticas é manter as partículas bem separadas. Esta separação pode ser realizada adicionando um surfactante ao meio líquido. Os surfactantes podem gerar repulsões estéricas ou eletrostáticas entre as partículas magnéticas. Por exemplo, o ácido cis-oleico pode ser usado para ferrofluidos à base de óleo como um surfactante que produz repulsões estéricas. O surfactante é um hidrocarboneto de cadeia longa com uma cabeça polar que é atraído para a superfície da partícula de magnetita; Assim, um revestimento de surfactante é formado na superfície. As longas cadeias das caudas funcionam como uma almofada repelente e impedem a aproximação de outras partículas de magnetita (Figura 1).
A. 2 FeCl3 + FeCl2 + 8 NH3 + 4H2O --> Fe3O4 + 8 NH4Cl

B. Adiciona-se ido cis-oleico, CH 3 (CH 2 ) 7 CH = CH (CH 2 ) 7 COOH, em óleo.

C. Remova a água:

magnetite1

Figura 1. Uma preparação do ferrofluido: (A) condições sintéticas para produção de Fe 3 O 4 (s); (B) adição de surfactante; e (C) a remoção de água para se obter as partículas pequenas de Fe 3 O 4estabilizadas pela interacção das extremidades polares das moléculas de ácido oleico com as partículas de magnetite, e pela interacção das extremidades não polares das moléculas de ácido oleico com o petróleo servindo como meio líquido.

Tensioactivos iónicos tais como o hidróxido de tetrametilamónio podem ser usados ​​como surfactantes que produzem repulsão electrostática num meio aquoso. Os íons de hidróxido são atraídos para a superfície de cada partícula de magnetita, formando uma camada carregada negativamente na superfície da magnetita. Os cátions de tetrametilamônio são atraídos para a camada carregada negativamente, formando uma camada positiva. Quando as partículas de magnetita se aproximam umas das outras, as repulsões entre as camadas carregadas positivamente impedem que elas se aproximem demais. (Figura 2).

A. 2 FeCl3 + FeCl2 + 8 NH3 + 4H2O --> Fe3O4 + 8 NH4Cl

B. Substitua o excesso de NH 4 OH na superfície de Fe 3 O 4 com N (CH 3 ) 4 OH

magnetite2

Figura 2. Uma preparação de ferrofluidos: (A) as condições sintéticas para produção de Fe 3 O 4 (s); e (B) a adição de surfactante para dar pequena partícula de Fe 3 O 4 (círculos sombreados) estabilizado por interacção dos aniões de hidróxido com a magnetite e pelas interacções dos catiões tetrametilamónio com a água que serve como o meio.

Alguns ferrofluidos são tão atraídos pelos campos magnéticos que ficam de pé ao longo das linhas do campo magnético, formando uma série de pontas (Figura 3).

ferrocluido 1

ferrofluido 2

Figura 3. Vista superior e lateral do fenômeno de spiking magnético observado quando um imã de vaca é colocado sob uma placa de Petri contendo um ferrofluido. O ferrofluido se alinha com as linhas do campo magnético do imã para produzir os espigões.

Aplicações

Embora o conjunto de pontas na superfície do ferrofluido seja espetacular, essa propriedade não é particularmente útil. No entanto, os ferrofluidos encontraram uma ampla variedade de aplicações, incluindo o uso em vedações rotativas de eixos. Um ferrofluido pode se comportar como um O-ring líquido onde um eixo rotativo entra em uma câmara de baixa ou alta pressão. O ferrofluido é mantido no lugar por ímãs permanentes e forma uma vedação hermética, eliminando a maior parte do atrito produzido em uma vedação mecânica tradicional. Esses selos rotativos são encontrados em geradores de raios X anódicos giratórios e em câmaras de vácuo usadas na indústria de semicondutores. Vedações de ferrofluido são usadas em unidades de disco rígido de computador de alta velocidade para eliminar partículas de poeira prejudiciais ou outras impurezas que podem fazer com que os cabeçotes de leitura de dados colidam com os discos.

Outra aplicação dos ferrofluidos é na melhoria do desempenho dos alto-falantes. Em um alto-falante, a energia elétrica é enviada através de uma bobina localizada no centro de um imã permanente circular. O campo magnético induzido pela energia elétrica faz com que a bobina vibre e, assim, produza som e calor. Banhar a bobina elétrica em um ferrofluido, que é mantido no lugar por ímãs permanentes circulares, amortece ressonâncias indesejáveis ​​e também fornece um mecanismo para dissipar o calor do excesso de energia fornecido à bobina. Ambos os fatores levam a uma qualidade de som geral melhorada.

Finalmente, há muita esperança para futuras aplicações biomédicas de ferrofluidos. Por exemplo, os pesquisadores estão tentando projetar ferrofluidos que podem transportar medicamentos para locais específicos do corpo através do uso de campos magnéticos aplicados. Outro trabalho em andamento está investigando o uso de ferrofluidos como agentes de contraste para a ressonância magnética (MRI).

Referências

Adaptado de Ensinando a Química Geral: Um Companheiro de Ciência de Materiais por AB Ellis, MJ Geselbracht, BJ Johnson, GC Lisensky e WR Robinson. Copyright © 1993, American Chemical Society, Washington, DC .