Was ist Ferrofluid?
Ferrofluide sind Flüssigkeiten, die mit einem 2-3 nm großen Tensid beschichtet sind und stabil in einem Medium wie Öl oder Wasser dispergiert sind.
Es handelt sich um magnetische Partikel, wie Magnetit. Sie vereinen zwei Elemente: Ferromagnetismus, eine Eigenschaft magnetischer Materialien, und Fließfähigkeit, eine Eigenschaft von Flüssigkeiten.
Wird ein Ferrofluid durch einen Dauermagneten oder auf andere Weise mit einem Magnetfeld beaufschlagt, können Position, Richtung und Form der magnetorheologischen Flüssigkeiten entsprechend der Richtung und Größe des Magnetfelds verändert werden. Sie haben auch die Eigenschaft zu fließen, wenn sie einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt sind. Außerdem ändern sich die scheinbare Viskosität und das spezifische Gewicht eines Ferrofluids, wenn sie sich in einem Magnetfeld befindet, je nach der Stärke des Magnetfelds.
Anwendungen von Ferrofluiden
Die am weitesten verbreitete Anwendung von Ferrofluiden sind magnetische Flüssigkeitsdichtungen. Ferrofluide sind weit verbreitet in Anwendungen wie Staubdichtungen zur Vermeidung statischer Elektrizität in Festplatten und Vakuumdichtungen in Anlagen zur Herstellung von Halbleitern.
Ferrofluide sind auch in Form von Lautsprechern und Dämpfern erhältlich. Ferrofluide werden in jüngster Zeit insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, z. B. in Stoßdämpfern, die mit Ferrofluiden gefüllte Dämpfer enthalten.
Darüber hinaus werden Ferrofluide in der Medizin eingesetzt, z. B. in Kontrastmitteln für die Krebsdiagnose.
Funktionsweise von Ferrofluiden
Das in Ferrofluiden enthaltene Magnetit verhält sich nur dann wie ein Magnet, wenn es sich in einem Magnetfeld befindet. Ferrofluide verhalten sich daher in Abwesenheit eines Magnetfeldes wie normale Flüssigkeiten, können sich aber in Gegenwart eines Magnetfeldes wie ein Magnet bewegen.
Magnetische Partikel in Ferrofluiden werden von einem Magneten angezogen, wenn dieser in die Nähe kommt. Dabei können sie sich entlang der magnetischen Kraftlinien orientieren, die von den N- und S-Polen des Magneten gebildet werden. Diese Ausrichtungskraft ist der Grenzflächenspannung der Ferrofluide entgegengesetzt, was zu einer scharfkantigen Oberfläche der Ferrofluide führt, ein Phänomen, das als Spiking bezeichnet wird.
Magnetit, die metallischen Partikel der Ferrofluide, ist kein reines Metall. Magnetit ist ein ultrafeines Teilchen, das bereits oxidiert ist und an der Luft weiter zu Hämatit oxidiert wird. Hämatit ist nicht magnetisch und wirkt nicht mehr als Ferrofluid. Damit es weiterhin als Ferrofluid wirken kann, ist eine Beschichtung, z. B. mit einem Tensid, erforderlich, bevor das Magnetit der Luft ausgesetzt wird.
Arten von Ferrofluiden
Ferrofluide lassen sich im Allgemeinen nach der Art des Lösungsmittels einteilen. Beispiele sind Ferrofluide auf Kohlenwasserstoffölbasis, Ferrofluide auf Wasserbasis und fluorierte Ferrofluide auf Ölbasis.
Beispiele für Basisflüssigkeiten sind Wasser, Isoparaffin, Alkylnaphthalin und perfluorierte Polyether. Allerdings kann nicht jede Flüssigkeit zu einer magnetischen Flüssigkeit gemacht werden. Es wird ein Tensid benötigt, das mit der Basisflüssigkeit kompatibel ist, und es ist wichtig, die richtige Wahl für den Zweck und die Anwendung zu treffen.
Ferrofluide können durch Koagulation (Reduktion), Pyrolyse, physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), Laserverdampfung, chemische Gasphasenabscheidung und kontinuierliche Vakuumabscheidung auf einer aktiven Flüssigkeitsoberfläche hergestellt werden. Bei der kontinuierlichen Abscheidung im Vakuum auf einer aktiven Flüssigkeitsoberfläche werden beispielsweise Tenside und Öl in eine rotierende Vakuumtrommel gegeben und eine Verdampfungsquelle in der Mitte der Trommel positioniert, um das Metall auf etwa 2000 °C zu erhitzen und feine Partikel zu erzeugen.
Struktur der Ferrofluide
Ferrofluide sind magnetische kolloidale Lösungen. Sie bestehen aus drei Komponenten: ferromagnetische Partikel wie Manganzinkferrit oder Magnetit, ein oberflächenaktives Mittel, das die Oberfläche bedeckt, und eine Basisflüssigkeit wie Wasser oder Öl. Die ferromagnetischen Teilchen in der Ferrofluide aggregieren aufgrund der Affinität zwischen der Basisflüssigkeit und dem Tensid oder setzen sich aufgrund der Abstoßungskraft zwischen den Tensiden in der Basisflüssigkeit ab, wodurch ein stabiler Dispersionszustand aufrechterhalten wird.
Der Durchmesser der ferromagnetischen Partikel ist sehr klein, etwa 10 nm, das ist ein Zehntel des Durchmessers eines Grippevirus. Ein Partikeldurchmesser von 9 nm und eine Moleküllänge des Tensids von 1,5 nm werden als angemessen angesehen. Ist das Tensid kurz, neigt es zur Agglomeration, ist es lang, verringert sich der Füllgrad des metallischen magnetischen Materials im Öl, so dass kein ausreichender Magnetismus erreicht wird.