Ferrofluide - Swiss Nano Cube

Report
Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für
Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen
Ferrofluide
Superparamagnetische Nanopartikel
Modulsponsor:
Dieses Modul wurde mit freundlicher Unterstützung der
Metrohm Stiftung Herisau realisiert.
Datum:
September 2014
Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft
Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen
Tel. +41 (0) 71 278 02 04, [email protected]
www.swissnanocube.ch
Magnetische Flüssigkeiten mit erstaunlichen Eigenschaften
Quelle: Swiss Nano-Cube
Ferrofluid aus Magnetit-Nanopartikeln
Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Ferrofluid“ zu finden.
© 2014 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen
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Inhalt
 Einführung
 Experimentelle Durchführung

Materialien, Chemikalien, Vorgehen

Sicherheitshinweise
 Theoretische Grundlagen

Grundlagen Magnetismus

Oberflächenfunktionalisierung

Anwendungen
 Lernziele/Kontrollfragen
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Experimentelle Durchführung
Video: Vorgehen bei der Herstellung eines Ferrofluids
Video Ferrofluid
www.swissnanocube.ch
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Experimentelle Durchführung
Sicherheitshinweise
Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe!
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Theoretische Grundlagen
Grundlagen Magnetismus: Magnetfeld
Nordpol
Feldlinie
Südpol
Quelle: Swiss Nano-Cube
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Theoretische Grundlagen
Grundlagen Magnetismus: Quellen des Magnetfeldes


Elektronen in der Atomhülle: Bewegte Punktladungen

Repetition: Aufbau der Elektronenhülle von Atomen.

Atome können Elementarmagnete sein.

Elektronen bewegen sich um den Atomkern herum und erzeugen ein
„schwaches“ Magnetfeld.

Elektronen, die in entgegengesetzte Richtungen drehen, heben ihre
Magnetfelder gegenseitig auf.

Wenn über alle Elektronen im Atom die Drehrichtung (=Spin) nicht
ausgeglichen ist, ist das Atom ein Elementarmagnet.
Elektromagnete

Stromdurchflossene Spulen

Künstliche Erzeugung von bewegten Ladungen
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Theoretische Grundlagen
Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung

Magnetisieren heisst, alle Elementarmagnete gleich ausrichten

Bestimmte Materialien können, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt
sind, selber magnetisch werden. Sie werden magnetisiert.

Magnetisieren heisst, dass die einzelnen Elementarmagnete bezüglich
ihrem Nord- und Südpol alle gleich ausgerichtet werden.
Einzelne Elementarmagnete
Magnetisierung
nicht magnetisch
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stark magnetisch
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Theoretische Grundlagen
Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung

Nicht alle Materialien können magnetisiert werden.

Nur jene Materialien, welche aus Elementarmagneten bestehen,
können magnetisiert werden.

Ob ein Material aus Elementarmagneten besteht oder nicht,
hängt von dem Aufbau der Elektronenhülle des Atoms ab.

Ferromagnete, Paramagnete, Diamagnete.

Materialien, die stark und dauerhaft magnetisiert werden können,
nennt man Ferromagnete (z.B. Eisen, Zink, Kobalt).

Materialien, die nur schwach und nicht dauerhaft magnetisiert werden
können, nennt man Paramagnete (z.B. Sauerstoff).

Materialien, die gar nicht magnetisiert werden können, nennt man
Diamagnete (z.B. Wasser).
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Theoretische Grundlagen
Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung

Superparamagnete

Materialien, die stark und aber nicht dauerhaft magnetisiert werden
können, nennt man Superparamagnete.

Nanopartikel aus ferromagnetischen Materialien sind
superparamagnetisch.

In Nanopartikeln sind nicht genügend Atome (=Elementarmagnete)
vorhanden, um die Magnetisierung aufrechtzuerhalten.

Durch die thermische Bewegung der einzelnen Atome wird die
Ausrichtung wieder aufgehoben, sobald kein äusseres Magnetfeld
mehr vorhanden ist.

Ferrofluide bestehen aus superparamagnetischen Nanopartikeln.
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Theoretische Grundlagen
Igelstrukturen im Ferrofluid
Starker Magnet
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 Rosensweig Instabilität
 Drei Kräfte: Magnetfeld, Gravitation, Oberflächenspannung der Flüssigkeit.
 Das Ferrofluid befindet sich im Gleichgewicht dieser
Kräfte.
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Theoretische Grundlagen
Flüssige Magnete
Warum kann man nicht einfach Eisen schmelzen,
um ein Ferrofluid zu erhalten?
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Theoretische Grundlagen
Ferrofluide sind nicht das selbe wie geschmolzene Ferromagnete!

Bei hohen Temperaturen wird durch die Thermische Energie der
Atome die Magnetisierung aufgehoben.

Durch die Verflüssigung ferromagnetischer Materialien verlieren
diese ihre ferromagnetischen Eigenschaften und werden
paramagnetisch.

Paramagnete können nur schwach und nicht permanent
magnetisiert werden.

Im Gegensatz dazu können Ferrofluide stark und nicht
permanent magnetisiert werden.
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Theoretische Grundlagen
Flüssige Magnete
Warum verklumpen die einzelnen magnetischen
Nanopartikel nicht miteinander?
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Theoretische Grundlagen
Oberflächenfunktionalisierung verhindert das Verklumpen!

Durch das Erzeugen einer positiv geladenen Oberfläche der
einzelnen Nanopartikel kann erreicht werden, dass diese sich
gegenseitig abstossen und nicht verklumpen.
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Theoretische Grundlagen
Oberflächenfunktionalisierung
Quelle: Swiss Nano-Cube
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Theoretische Grundlagen
Anwendungen
 Medizin: Krebsbekämpfung durch Hyperthermie-Therapie
 Medizin: Gerichteter Wirkstofftransport (Drug Targetting)
 Oberflächenbeschichtung von Tarnkappen Flugzeugen
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Lernziele/Kontrollfragen
 Den Unterschied zwischen Ferromagneten,
Paramagneten, Diamagneten und Superparamagneten
verstehen.
 Verstehen, warum Nanopartikel andere magnetische
Eigenschaften besitzen als grössere Partikel.
 Erklären können, warum man Ferrofluide nicht einfach
durch Schmelzen von Eisen herstellen kann.
 Verstehen, was die Oberflächenfunktionalisierung der
magnetischen Nanopartikel bewirkt und welchen Nutzen
sie hat.
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