FERROFLUIDO - 2 


Um ferrofluido ( carga de ferromagnético e fluido ) é um líquido que se torna fortemente magnetizado na presença de um campo magnético . Um processo de moagem para ferrofluido foi inventado em 1963 por Steve Papell da NASA como um combustível de foguete líquido que poderia ser atraído para uma entrada de bomba em um ambiente sem peso através da aplicação de um campo magnético.  O nome ferrofluido foi introduzido, o processo melhorado, líquidos altamente magnéticos sintetizados, líquidos veiculares adicionais descobertos e a química física elucidada por RE Rosensweig e colegas; Além disso, Rosensweig desenvolveu um novo ramo da mecânica dos fluidos denominado ferro-hidrodinâmica. 

Steve Papell inventou o ferrofluido para a NASA em 1963 

Os ferrofluidos são líquidos coloidais feitos de partículas ferromagnéticas ou ferrimagnéticas em nanoescala suspensas em um fluido de transporte (geralmente um solvente orgânico ou água). Cada minúscula partícula é completamente revestida com um surfactante para inibir a aglomeração. Grandes partículas ferromagnéticas podem ser arrancadas da mistura coloidal homogênea, formando um aglomerado separado de poeira magnética quando expostas a campos magnéticos fortes. A atração magnética das nanopartículas é fraca o suficiente para que a força de Van der Waals do surfactante seja suficiente para evitar aglomeração ou aglomeração magnética. Os ferrofluidos geralmente não retêm a magnetização na ausência de um campo aplicado externamente e, portanto, são frequentemente classificados como "superparamagnetos" em vez de ferromagnetos. 

A diferença entre ferrofluidos e fluidos magnetoreológicos (fluidos MR) é o tamanho das partículas. As partículas em um ferrofluido consistem principalmente de nanopartículas que são suspensas pelo movimento browniano e geralmente não se assentam em condições normais. Partículas de fluido MR consistem principalmente de partículas em escala micrométrica que são muito pesadas para o movimento browniano para mantê-las suspensas, e assim se estabelecerão com o tempo devido à diferença de densidade inerente entre a partícula e seu fluido transportador. Esses dois fluidos têm aplicações muito diferentes como resultado.

RE Rosensweig com ferrofluido em seu laboratório (1965)

Os ferrofluidos são compostos de partículas em nanoescala (diâmetro geralmente de 10 nanômetros ou menos) de magnetita , hematita ou algum outro composto contendo ferro e um líquido. Isso é pequeno o suficiente para que a agitação térmica os disperse uniformemente dentro de um fluido carreador, e para que eles contribuam para a resposta magnética geral do fluido. Isto é semelhante ao modo como os iões numa solução salina paramagnética aquosa (tal como uma solução aquosa de sulfato de cobre (II) ou cloreto de manganês (II) ) formam a solução paramagnética. A composição de um ferrofluido típico é de cerca de 5% de sólidos magnéticos, 10% de surfactante e 85% de transportador, em volume.

Partículas em ferrofluidos são dispersas em um líquido, muitas vezes usando um surfactante e, portanto, ferrofluidos são suspensões coloidais - materiais com propriedades de mais de um estado da matéria. Nesse caso, os dois estados da matéria são o metal sólido e o líquido em que ela está. Essa capacidade de alterar as fases com a aplicação de um campo magnético permite que eles sejam usados ​​como vedantes , lubrificantes e possam abrir novas aplicações. em futuros sistemas nanoeletromecânicos .

Ferrofluidos verdadeiros são estáveis. Isso significa que as partículas sólidas não se aglomeram ou se separam em fases mesmo em campos magnéticos extremamente fortes. No entanto, o surfactante tende a quebrar ao longo do tempo (alguns anos) e, eventualmente, as nanopartículas irão se aglomerar, e elas se separarão e não mais contribuirão para a resposta magnética do fluido.

O termo fluido magnetorheológico (MRF) refere-se a líquidos semelhantes aos ferrofluidos (FF) que solidificam na presença de um campo magnético. Os fluidos magnetoreológicos têm partículas magnéticas de escala micrométrica que são de uma a três ordens de magnitude maiores que as dos ferrofluidos.

No entanto, os ferrofluidos perdem suas propriedades magnéticas em temperaturas suficientemente altas, conhecidas como temperatura Curie .

Instabilidade de campo normal 


Quando um fluido paramagnético é submetido a um forte campo magnético vertical , a superfície forma um padrão regular de picos e vales. Esse efeito é conhecido como Rosensweig ou instabilidade de campo normal . A instabilidade é impulsionada pelo campo magnético; Isso pode ser explicado considerando-se a forma do fluido que minimiza a energia total do sistema. 

Do ponto de vista da energia magnética , picos e vales são energeticamente favoráveis. Na configuração corrugada, o campo magnético é concentrado nos picos; Como o fluido é mais facilmente magnetizado que o ar, isso diminui a energia magnética. Em conseqüência, os picos de fluido percorrem as linhas de campo no espaço até que haja um equilíbrio das forças envolvidas. 

Ao mesmo tempo, a formação de picos e vales é resistida pela gravidade e tensão superficial . Requer energia, tanto para mover o fluido para fora dos vales, quanto para os pontos, e aumentar a área da superfície do fluido. Em resumo, a formação das ondulações aumenta a energia livre da superfície e a energia gravitacional do líquido, mas reduz a energia magnética. As ondulações só se formarão acima de uma força crítica do campo magnético , quando a redução na energia magnética superar o aumento nos termos de energia de superfície e gravitação. 

Os ferrofluidos têm uma suscetibilidade magnética excepcionalmente alta e o campo magnético crítico para o início das ondulações pode ser realizado por um pequeno ímã de barra.

 

Macrofotografia de ferrofluido influenciada por um íman.

 

Surfactantes ferrofluidos comuns 

Os surfactantes usados ​​para revestir as nanopartículas incluem, mas não estão limitados a:

  • Ácido oleico
  • hidróxido de tetrametilamónio
  • ácido cítrico
  • Lecitina

Esses surfactantes evitam que as nanopartículas se juntem, garantindo que as partículas não formem agregados que se tornem muito pesados ​​para serem mantidos em suspensão por movimento browniano . As partículas magnéticas em um ferrofluido ideal não se estabelecem, mesmo quando expostas a um forte campo magnético ou gravitacional. Um surfactante tem uma cabeça polar e cauda não polar (ou vice-versa), uma das quais adsorve a uma nanopartícula, enquanto a cauda não polar (ou cabeça polar) se sobressai no meio transportador, formando uma micela inversa ou regular , respectivamente, em torno da partícula. A repulsão eletrostática evita a aglomeração das partículas.

Embora os surfactantes sejam úteis no prolongamento da taxa de sedimentação em ferrofluidos, eles também provam ser prejudiciais às propriedades magnéticas do fluido (especificamente, a saturação magnética do fluido ). A adição de surfactantes (ou quaisquer outras partículas estranhas) diminui a densidade de empacotamento das ferropartículas enquanto em seu estado ativado, diminuindo assim a viscosidade do fluido no estado , resultando em um fluido ativado "mais macio". Enquanto a viscosidade no estado (a "dureza" do fluido ativado) é menos preocupante para algumas aplicações de ferrofluido.

Um ferrofluido em um campo magnético mostrando instabilidade de campo normal causada por um ímã de neodímio sob o prato.