Qu’est-ce qu’un ferrofluide ?
Un ferrofluide est un liquide recouvert d’un tensioactif de 2-3 nm et dispersé de manière stable dans un milieu tel que l’huile ou l’eau.
Il s’agit de particules magnétiques, telles que la magnétite. Ils combinent deux éléments : le ferromagnétisme, qui est une caractéristique des matériaux magnétiques, et la fluidité, qui est une propriété des liquides.
Lorsqu’un champ magnétique est donné à un ferrofluide magnétique par un aimant permanent ou d’autres moyens, la position, la direction et la forme du fluide magnétique peuvent être modifiées en fonction de la direction et de la taille du champ magnétique. Il a également la caractéristique de s’écouler lorsqu’il est soumis à un champ magnétique changeant. De plus, lorsqu’un fluide magnétique est placé dans un champ magnétique, sa viscosité apparente et sa gravité spécifique changent en fonction de l’intensité du champ magnétique.
Utilisations des ferrofluides
Son utilisation la plus répandue est celle des joints d’étanchéité à fluide magnétique. Les joints à fluide magnétique sont largement utilisés dans des applications telles que les joints anti-poussière pour éviter l’électricité statique dans les disques durs et les joints à vide utilisés dans les équipements de fabrication de semi-conducteurs.
Les ferrofluides sont également très répandus sous forme de haut-parleurs et d’amortisseurs. Récemment, ils ont particulièrement été utilisé dans les amortisseurs des automobiles qui sont remplis de fluide magnétique.
Par ailleurs, les ferrofluides sont utilisés dans le domaine médical, par exemple dans les produits de contraste pour le diagnostic du cancer.
Principe des ferrofluides
La magnétite contenue dans les ferrofluides magnétiques se comporte comme un aimant uniquement lorsqu’elle est placée dans un champ magnétique. Les ferrofluides se comportent donc comme des fluides normaux en l’absence de champ magnétique.
Les particules magnétiques utilisées dans les ferrofluides sont attirées par un aimant lorsque celui-ci est approché. Ce faisant, elles peuvent être orientées le long des lignes de force magnétique constituées par les pôles N et S de l’aimant. Cette force d’orientation est antagoniste à la tension interfaciale que possède le fluide magnétique, ce qui donne au fluide magnétique une surface d’aspect tranchant, phénomène connu sous le nom de “spiking”.
La magnétite, les particules métalliques du fluide magnétique, n’est pas un métal pur. La magnétite est une particule ultrafine déjà oxydée qui, lorsqu’elle est exposée à l’air, s’oxyde davantage pour devenir de l’hématite. L’hématite n’est pas magnétique et cesse d’agir comme un fluide magnétique. Pour qu’elle continue à fonctionner en tant que ferrofluide magnétique, il est nécessaire de la recouvrir, par exemple d’un surfactant, avant de l’exposer à l’air.
Types de ferrofluides magnétiques
En général, les ferrofluides peuvent être classés en fonction du type de solvant. Les exemples incluent les fluides magnétiques à base d’huile d’hydrocarbure, les fluides magnétiques à base d’eau et les fluides magnétiques à base d’huile fluorée.
Les fluides de base sont par exemple l’eau, l’isoparaffine, l’alkylnaphtalène et les polyéthers perfluorés. Cependant, tous les fluides ne peuvent pas être transformés en fluides magnétiques. Un tensioactif compatible avec le fluide de base est nécessaire, et il est important de choisir le bon produit en fonction de l’objectif et de l’application.
Les ferrofluides peuvent être produits par coagulation (réduction), pyrolyse, dépôt physique en phase vapeur (PVD), évaporation laser, dépôt chimique en phase vapeur et dépôt continu sous vide sur une surface liquide active. Dans le dépôt continu sous vide sur une surface liquide active, par exemple, des agents tensioactifs et de l’huile sont ajoutés à un tambour rotatif sous vide et une source d’évaporation est placée au centre du tambour pour chauffer le métal à environ 2 000 °C afin de produire de fines particules.
Structure des ferrofluides
Les ferrofluides sont des solutions colloïdales magnétiques. Ils se composent de trois éléments : des particules ferromagnétiques telles que la ferrite de manganèse-zinc ou la magnétite, un agent tensioactif qui recouvre la surface et un liquide de base tel que l’eau ou l’huile. Les particules ferromagnétiques présentes dans le ferrofluide s’agrègent en raison de l’affinité entre le liquide de base et le surfactant, ou se déposent dans le liquide de base en raison de la force de répulsion entre les surfactants, ce qui maintient un état de dispersion stable.
Le diamètre des particules ferromagnétiques est très faible, environ 10 nm, soit un dixième du diamètre d’un virus de la grippe. Un diamètre de particule de 9 nm et une longueur moléculaire de l’agent de surface de 1,5 nm sont considérés comme appropriés. Si l’agent tensioactif est court, il a tendance à s’agglomérer, et s’il est long, le taux de remplissage du matériau magnétique métallique dans l’huile est réduit, de sorte qu’un magnétisme suffisant n’est pas obtenu.