Zrób to sam: ferrofluid
Inteligentny materiał
Ferrofluidy są substancjami o właściwościach makroskopowych możliwie zbliżonych do cieczy. Niezwykłość ferrofluidów polega na tym, w normalnych warunkach wykazują one silne właściwości paramagnetyczne i ulegają wyraźnej polaryzacji magnetycznej w obecności zewnętrznych pól magnetycznych.
Istnieje wiele rodzajów ferrofluidów. Należą one do klasy materiałów inteligentnych, to jest takich, które zmieniają swoje własności w kontrolowany sposób w reakcji na bodziec otoczenia. Substancje takie są przedmiotem intensywnych badań naukowych - znalazły szereg zastosowań we współczesnym przemyśle. Stosowane są między innymi w nowoczesnych głośnikach, układach chłodzących, pomiarowych, a także w przemyśle zbrojeniowym.
Komercyjne ferrofluidy są jednak drogie i nie zawsze łatwo dostępne dla eksperymentatora. Nic nie stoi jednak na przeszkodzie, by wyprodukować pewną ilość ferrofluidu we własnym zakresie, w naszym laboratorium!
Otrzymywanie
By wyprodukować nieco ferrofluidu musimy się zaopatrzyć w substancje wymienione poniżej:
- chlorek żelaza(III) FeCl3,
- chlorek żelaza(II) FeCl2,
- woda amoniakalna NH3 aq 10%,
- kwas oleinowy C18H34O2,
- nafta.
Ostrzeżenie: Chlorek żelaza(III) jest toksyczny, a roztwór chlorku żelaza(II) jest silnie żrący. Nafta jest łatwopalna, należy zachować ostrożność podczas pracy z otwartym ogniem. Amoniak ulatniający się z wody amoniakalnej drażni błony śluzowe, a w większych stężeniach jest trujący - doświadczenie należy wykonywać pod dygestorium lub na zewnątrz. Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
Każdy ferrofluid składa się z pewnych podstawowych elementów - cieczy nośnej, w której są rozproszone mikroskopijne cząstki substancji magnetycznie aktywnej, oraz z surfaktanta.
Najpierw trzeba przygotować odpowiednie roztwory chlorków żelaza:
- 20cm3 1,5M chlorku żelaza(III) FeCl3 w wodzie destylowanej,
- 20cm3 0,75M chlorku żelaza(II) FeCl2 w wodzie destylowanej.
O ile przygotowanie roztworu chlorku żelaza(III) nie przedstawia żadnych trudności, to w przypadku chlorku żelaza(II) jest to dosyć problematyczne. Chlorek ten jest bardzo nietrwały w roztworze i z łatwością ulega utlenieniu pod wpływem tlenu atmosferycznego, dlatego należy go przygotowywać zawsze na świeżo. Czysty roztwór chlorku żelaza(II) ma barwę zielonkawą. Jeśli dysponujemy jedynie zanieczyszczonym chlorkiem o barwie brunatnej, to możemy go "odświeżyć" przez wytrząsanie z proszkiem żelaznym lub zwitkiem waty stalowej, aż do uzyskania barwy zielonej, a następnie przesączyć. Zastępczo można też użyć odpowiedniej ilości bardziej odpornej na utlenianie soli Mohra, czyli disiarczanu(VI) diamonu i żelaza(II) (NH4)2SO4·FeSO4.
Nie używać mieszadła magnetycznego!
Oba roztwory należy zmieszać razem. Tak powstałą mieszaninę następnie dodaje się powoli porcjami do 150cm3 wody amoniakalnej o stężeniu 10%, za każdym razem energicznie mieszając. Zachodzi silnie egzotermiczna reakcja - z powodu wzrostu temperatury z roztworu mogą się uwalniać duże ilości drażniącego amoniaku! Jednocześnie można zauważyć wytrącenie dużych ilości czarnego osadu.
Powstały osad składa się mikroskopijnych cząstek niestechiometrycznego tlenku żelaza(II) diżelaza(III) Fe3O4. Związek ten występuje w przyrodzie jako minerał magnetyt, a jego właściwości magnetyczne są znane od starożytności.
Po dodaniu całej objętości roztworu chlorków, do zawiesiny wprowadzamy 5cm3 kwasu oleinowego C18H34O2, ciągle energicznie mieszając. Powstałą mieszaninę należy następnie podgrzać do delikatnego wrzenia.
Ogrzewanie należy prowadzić tak długo, aż przestanie być wyczuwalny zapach amoniaku. W tym czasie dochodzi do rozkładu powstałego uprzednio oleinianu amonu, a uwolnione jony oleinianowe opłaszczają cząstki magnetytu, chroniąc je przed łączeniem się w większe agregaty.
Ostatnim etapem przygotowywania ferrofluidu jest zawieszenie cząstek magnetytu w nafcie, jako cieczy nośnej. W tym celu do schłodzonej mieszaniny dolewamy 100cm3 nafty i wytrząsamy przez kilka minut. Kwas oleinowy lepiej rozpuszcza się w nafcie niż w wodzie, dzięki czemu cząstki magnetytu migrują do fazy organicznej. Po rozdzieleniu faz wystarczy zebrać górną, złożoną z nafty, oraz zawieszonych w niej, opłaszczonych oleinianem cząstek magnetycznych. Ferrofluid jest gotowy!
Właściwości ferrofluidu
Otrzymany ferrofluid z pewnością zachowuje się jak ciecz. Weźmy jednak kilka niewielkich magnesów neodymowych i przykryjmy je przezroczystą folią, jak to widać poniżej.
Następnie na folię nanieśmy nieco ferofluidu. Ciecz zostanie natychmiast przyciągnięta do magnesów. Co więcej, odwzoruje ona także układ pola magnetycznego wytwarzanego przez te magnesy!
Ciekawe efekty daje także zbliżanie magnesu do powierzchni cieczy - unosi się ona w kierunku magnesu.
Przy odpowiednio dużej wartości indukcji pola magnetycznego wytwarzanego przez magnes, część cieczy podrywa się do góry i "oblewa" jego bieguny. Przy większej ilości ferrofluidu magnes zostaje w całości zamknięty w płynnej powłoce. Efekt jest bardzo widowiskowy:
Efekt doświadczeń można też zobaczyć na moim filmie, który został zamieszczony poniżej.
Mimo, że opisany ferrofluid ustępuje swymi właściwościami produktom komercyjnym, to jednak łatwość jego przygotowania, niska cena, a także mnogość interesujących obserwacji, jakie można poczynić w odniesieniu do tej substancji, czynią go szczególnie przydatnym w dydaktyce.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa:
- Albrecht T., Bührer C., Fähnle M., Maier K., Platzek D., Reske J., First observation of ferromagnetism and ferromagnetic domains in a liquid metal, Applied Physics A: Materials Science & Processing, 65 (2), 1997, str. 215,
- Nethe A., Scholz T., Stahlmann H.-D., Ferrofluidunterstützte Elektromotoren und Aktuatoren, Köster, Berlin, 2006,
- Odenbach S., Ferrofluids. Magnetically controllable fluids and their applications, Lecture notes in physics, 594, Springer, Berlin, 2002,
- Scherer C., Figueiredo Neto A. M., Ferrofluids: Properties and Applications, Brazilian Journal of Physics, 35 (3A), 2005, str 718–727.
Marek Ples