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Speziell beschichtete magnetische Nanopartikel in der Größenordnung um etwa 10 Nanometer (1 nm = 10-9 Meter) gelöst in einer Trägerflüssigkeit - dies ist eine extrem verkürzte Form einer Definition für Ferrofluide.
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Im folgenden Text möchten wir einen kleinen Einblick zu dieser außergewöhnlichen Flüssigkeit geben, der jedoch möglichst viele Aspekte beleuchten soll. Wer nur eine kurze Erklärung haben möchte, kann die Rubrik "For beginners" besuchen. Dort sind auch einige Experimente zum Nachmachen beschrieben. Dies ist besonders für Lehrer sowie Schüler interessant, da durch diese relativ komplexe Inhalte gut verständlich, Schritt für Schritt, selbst gefunden und dadurch besser aufgenommen werden können. Auch Anleitungen zur Herstellung sind dort in kurzer Form zu finden.
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Geschichte
Der NASA-Mitarbeiter Stephen Pappell entwickelte 1965 als erster "flüssige Magneten", doch seit etwa 150 Jahren sind bereits magnetische Eigenschaften von Eisenspänen im Wasser bekannt. Durch die gute Kontrollfähigkeit und dadurch geeigneten Einsatz im Weltraum weckten diese das Interesse vieler Forscher in dieser Zeit. Ein weiterer Pionier dieser außergewöhnlichen
Flüssigkeiten ist Ronald E. Rosensweig, der sich speziell mit der theoretischen
Beschreibung des Stoffes auseinandersetzte.
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Aufbau
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Schematischer Aufbau von Ferrofluiden (Partikel) - Abbildung in voller Auflösung: hier klicken
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Ferrofluide bestehen aus Nanopartikeln, welche mit Ferromagnetika bzw. Verbindungen aus diesen beschaffen sind. Ferromagnetische Stoffe sind Eisen (Fe), Kobalt (Co) und Nickel (Ni). Die am häufigsten verwendete Verbindung ist Magnetit (Fe3O4), da sie relativ leicht in der richtigen Größe herzustellen ist und dennoch sehr stabil verbleibt. Bei Ferrofluiden will man erreichen, dass die eigentlich ferromagnetischen Stoffen ein superparamagnetisches Verhalten an den Tag legen. Dies wird durch eine extrem kleine Teilchengröße erzielt. Bei Magnetit z. B. kann sich ab einer Größe von etwa 10 nm einzig eine magnetische Domäne, ein Bereich, in dem alle magnetische Momente gleich ausgerichtet sind, ausbilden - jeder Partikel entspricht nun nur noch einem einzelnen Elementarmagneten. Die Empfindlichkeit auf äußere Magnetfelder steigt nun stark.
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Würde man die einzelnen Partikel z. B. in eine Flüssigkeit mischen, so würden sie zum einen nach einer gewissen Zeit sedimentieren und dabei auch noch verklumpen (agglomerieren). Um den zu entgehen, werden die "Nanokerne" je nach später gewünschtem Trägermedium (Art der Flüssigkeit) beschichtet. Dabei gibt es zwei verschiedene Typen: polare- und unpolarlösliche Partikel. Die Realisierung findet bei den unpolarlöslichen Ferrofluiden mit Hilfe von langkettigen Tensiden, wie z. B. Ölsäure (C18H34O2, -> in der Grafik oben links) statt, dessen polarer Teil an das leicht geladene Magnetitkristallit gekoppelt ist und der lange unpolare Teil als eine Art Platzhalter fungiert, um die weiter oben genannte Agglomeration von Einzelpartikel zu verhindern. Bei polaren Ferrofluiden wird das Prinzip der elektrostatischen Abstoßung genutzt - nach außen hin besitzen die Teilchen nun eine äußere Schicht aus gleichnamig geladenen Ionen, die an den Nanokern gebunden sind (in der Graphik oben (-> rechts)).
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Nach diesem Beschichtungsvorgang besitzten die Partikel nun eine so genannte etwa 2 nm große Nanosphäre. Nun sind sie bereit, in eine Trägerflüssigkeit dispergiert zu werden. Hierzu werden bei unpolaren Ferrofluiden zumeist langkettige Kohlenwasserstoffe wie Dekan (C10H22) oder auch Mischungen von diesen von verschiedenen Kettenlängen wie Ölen oder auch Paraffin genutzt. Die resultierende Flüssigkeit gleicht nun Milch, in welcher Fett durch mizellenartige Strukturen in Wasser gebunden wird. Bei polaren Lösungsmitteln, wie Wasser (H2O) werden die gleichnamig geladenen Partikel gelöst. Durch die Zugabe von "freien" Tensiden, die nicht an die Einzelteilchen gebunden sind (wie bei unseren Versuchen Ethanol (C2H5OH)), kann man die Eigenschaften des Trägerstoffes ändern.
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Verhalten
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Durch ihre magnetischen Nanokerne reagiert Ferrofluid stark auf äußere Magnetfelder. Ohne diese verhält sich das Ferrofluid jedoch wie eine normale Flüssigkeit, so wird z. B. die Dichte in diesem Zustand einzig von der Temperatur abhängig. Temperatur ist gleich einer Bewegung der Teilchen in der Trägersubstanz. Da die Teilchengröße im Nanometerbereich liegt, reagieren diese extrem empfindlich auf Wärme und so kommt es auch bei extrem starken Magnetfeldern nicht zur Spaltung der kolloidialen Flüssigkeit, d. h. die beiden Phasen - Flüssigkeit und die festen Partikel - werden nicht getrennt. Bei einem angelegten äußeren Magnetfeld kommt es durch eine Neuordnung der Teilchen zu einer Viskositätsänderung der Flüssigkeit. Nach Abschalten des externen Feldes bricht diese Ausrichtung wieder zusammen und es zeigen sich normale Flüssigkeitseigenschaften.
Bei besonders hohen Feldstärken kann es zur Bildung igelartiger Strukturen kommen - den Rosensweiginstabilitäten (siehe Bild recht).
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Rosensweiginstabilität |
Die Igelstrukturen lassen sich als Gleichgewichtszustand zwischen Gravitation, Oberflächenspannung und der Kraft, die durch ein Magnetfeld auf die Flüssigkeit wirkt betrachten. Bei der Situation in Bild rechts oben ist der Magnet an der rechten Seite gelegen. Das Bild wurde um 90° gegen den Uhrzeigersinn gedreht, der Boden befindet sich ebenfalls auf der rechten Seite, dadurch wird das Ferrofluid von beiden Kräften bildlich nach rechts "gezogen", einzig die Oberflächenspannung wirkt dem entgegen. Diese verläuft hier in der horizontalen Ebene und zieht die die Flüssigkeit in eine rundliche Struktur - ohne diese Kraft würde man ähnliche Gebilde beobachten wie bei Eisenspänen im Magnetfeld, die den Feldlinien folgen. Bei unterschiedlichen Oberflächenspannungen erhält man z. B. verschieden hohe und breite Stacheln, auch wird die kritische Magnetfeldstärke dadurch beeinflusst.
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Anwendung
Durch ihre besonderen Eigenschaften sind Ferrofluide sehr gefragt und noch immer Gegenstand aktueller Forschung. So werden diese durch ihre gute Kontrollierbarkeit bei Dichtungen oder als Dämpfer mit guter Wärmeleitfähigkeit genutzt. In der Medizin wird es zum einem in der Diaknostik, vor allem jedoch zur Krebsbehandlung durch Hyperthermia oder zum gezielten Einbringen von Wirkstoffen am der Behandlungszone. Dadurch ist z. B. eine lokale Chemotherapie möglich, welche wesentlich schonender für den Patienten ist. Auch bei den Stealth-Flugzeugen der US Air Force werden Beschichtungskombinationen mit Ferrofluid zur Radarstrahlenabsorbtion genutzt. Weitere Anwendungsfelder sind die Messtechnik, Entertainment bzw. Kunst.
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Nachdem Sie diesen Text gelesen haben, hoffen wir, dass Sie eine gute Vorstellung für Ferrofluide entwickeln konnten. Wollen Sie mehr erfahren? Dann lesen Sie unsere Jugend-forscht-Arbeit (zu finden unter "Downloads") oder wenden Sie sich an uns mit Ihren Fragen - besuchen Sie dazu die Rubrik "Zur Webseite".
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