Sprungmarken

Servicenavigation

Hauptnavigation

Sie sind hier:

Hauptinhalt

Magnetofluide

Magnetische Flüssigkeiten, auch Magnetofluide genannt, enthalten in wählbaren Trägerflüssigkeiten (Wasser, Öle, Polymere) gleichmäßig verteilte ferri- oder ferromagnetische Teilchen im Nanometerbereich. Aufgrund ihrer geringen Größe (ca. 10 nm) können die magnetischen Partikel als Eindomänenteilchen betrachtet werden. Um eine Koaleszenz der Teilchen zu verhindern, müssen sie durch amphiphile Moleküle (enthalten typischer Weise einen polaren Kopf und einen unpolaren Rest) geschützt werden.

F02_01

F02_02

Abb. 1: Schema eines magnetischen Eindomänenpartikels (a) und das daraus resultierende Wechselwirkungspotential (b).

In einer solchen stabilen kolloidalen Dispersion übertragen die Teilchen ihre magnetischen Eigenschaften auf die Flüssigkeit, die sich dann wie eine homogene Flüssigkeit mit magnetischen Eigenschaften verhält. Zu den Magnetofluiden gehören auch die Ferrofluide, die als magnetisches Material in der Regel Magnetit (Fe3O4) enthalten.

 

Eine gebräuchliche Herstellungsart solcher Ferrofluide ist die Fällungsreaktion der Magnetitpartikel aus einer wässrigen Eisen(II)-Eisen(III)-Chlorid Lösung durch Erhöhung des pH-Wertes:

 

8 KOH + 2 FeCl3 + FeCl2  ®  Fe3O4 + 8 KCl + 4 H2O

 

Zur Verhinderung der Koaleszenz der entstehenden Nanopartikel sind neben der Trägerflüssigkeit auch oberflächenaktive Stoffe (z.B. Fettsäuren) anwesend.

Die Charakterisierung der hergestellten Magnetofluide erfolgt in der Regel über ihre Größe und Dispersität sowie über ihre magnetischen Eigenschaften. Die Größenverteilung der hergestellten Nanopartikel kann mit der dynamischen Lichtstreuung und der elektroakustischen Spektroskopie bestimmt werden ohne dass die hergestellten Magnetofluide weiter aufgearbeitet werden müssen. Zur Charakterisierung der magnetischen Eigenschaften der Magnetofluide werden in der Regel Magnetisierungskurven aufgenommen.

Eine besondere Eigenschaft der Magnetofluide ist die Erhöhung der Viskosität mit steigender magnetischer Feldstärke. In Abwesenheit von magnetischen Feldern verhalten sich Magnetofluide wie die entsprechenden Trägerflüssigkeiten. Wässrige Systeme zeigen entsprechend newtonsches Verhalten. Ihre Viskosität ist richtungsunabhängig und in der Regel umso höher je größer der Feststoffanteil ist. Beim Anlegen eines Magnetfeldes lagern sich die Feststoffteilchen zu Ketten zusammen, wodurch sie sich nur noch eingeschränkt bewegen können. Dies erklärt die Erhöhung der Viskosität von Magnetofluiden durch ein magnetisches Feld. Die zusätzlich dazu auftretende Richtungsabhängigkeit der Viskosität (Anisotropie) kann dadurch erklärt werden, dass ein Verschieben der einzelnen Ketten entlang der Längsachse, d.h. parallel zu den Feldlinien deutlich leichter stattfinden kann, als entlang der Querachse, d.h. senkrecht zu den Feldlinien.

Eine weitere Besonderheit der Magnetofluide tritt an der Grenzfläche zu einer anderen Phase auf. So zeigen Magnetofluide oberhalb bestimmter Feldstärken keine glatten Grenzflächen, sondern es entstehen charakteristische Stacheln. Diese "Stachel-Instabilität" wurde 1966 von Rosenzweig entdeckt und entsteht durch das Zusammenwirken von magnetischen Kräften und der Grenzflächenspannung.

F02_03

Abb. 2: Kurze Videoaufnahme der Magnetisierung eines Ferrofluids (0.5 MB)

 

Aufgrund eines äußeren magnetischen Feldes erfährt das Magnetofluid eine Kraftwirkung an seiner Oberfläche, die gegen die Oberflächenspannung der Flüssigkeit gerichtet ist. Mit wachsender Feldstärke werden die ausgebildeten Stacheln immer länger und umso niedriger ist die magnetische Gesamtenergie. Gleichzeitig nimmt die Oberflächenenergie mit größer werdenden Stacheln zu. Somit bildet sich für jede Feldstärke ein Gleichgewicht zwischen Oberflächenspannung und der magnetischen Gesamtenergie.

Die Kontrolle fluider Medien durch Magnetfelder in der Größenordnung von 10 bis 100 mT eröffnet eine Reihe neuer Forschungsfelder und Anwendungsgebiete.

In der Vergangenheit wurden die magnetischen Kontrollmöglichkeiten der Magnetofluide vor allem dazu verwendet, Fluide in technischen Anwendungen zu positionieren und so die fluiden Eigenschaften der Trägerflüssigkeit an entsprechenden Stellen zu nutzen. Die beiden häufigsten Anwendungen dieser Art sind die Magnetofluiddichtung und die Kühlung von Lautsprechern. In der Zukunft werden Magnetofluide Bedeutung im Einsatz für biomedizinische Zwecke im Speziellen für neue Ansätze in der Krebstherapie erlangen. Beim so genannten magnetischen Drug Targeting werden die magnetischen Partikel mit einem medizinischen Wirkstoff beladen und nach Einbringung in den Körper durch geeignete Magnetfelder zum vorgesehen Wirkungsort geleitet. Bei der magnetischen Hyperthermie werden die magnetischen Partikel durch biochemisches oder magnetisches Targeting in einer entsprechenden Region im Körper konzentriert und durch magnetische Wechselfelder zu einer lokalen Wärmeproduktion angeregt. In der Technik haben Magnetofluide ebenfalls ein weites Anwendungspotential. Durch den Einbau von Magnetofluiden in Polymernetzwerke (z.B. Polysiloxane) könnten leicht anzusteuernde und gut zu dosierende künstliche Muskeln herzustellen sein. In ähnlicher Weise könnte eine Verkapselung von Magnetofluiden durch Polymernetzwerke die Entwickelung neuartiger Mikromotoren, z.B. für Pumpen, vorantreiben.

Diese wenigen Beispiele zeigen den Stellenwert, den die Magnetofluidforschung für unterschiedliche Bereiche in Technik und Medizin erreicht hat und in den nächsten Jahren noch erreichen wird.