Ferrofluide - Swiss Nano Cube
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Transcript Ferrofluide - Swiss Nano Cube
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
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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
Quelle: Swiss Nano-Cube
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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