Ferrofluid

Koostis / struktuur

Ferrovedelik on õlis (või mõnes muus vedelikus, ka vees) dispergeeritud kolloidsed magnetosakesed (raud, koobalt, ferriidid MetO·Fe₂O₃, sealhulgas ja eriti magnetiit Fe₃O₄), mis oma üliväikese läbimõõdu tõttu ( 10 nm suurusjärgus) ei setti välja isegi tugevas magnetväljas ja mis agregeerumise vältimiseks on katud pindaktiivse polümeerikihiga. Sellise suurusega magnetosakesed sisaldavad vaid ühe magnetdoomeni.

Omadused

Ferrovedelikud ilmutavad mitmeid ebaharilikke (tavavedelike jaoks) magnetilis jt omadusi. Nt on nad superparamagneetikud, st ühe kolloidosakese summaarne  magnetmoment etendab sama osa, mis üksiku aatomi või iooni magnetmoment paramagneetikutes. (Makroskoopilistele) ferromagneetikutele omase magnetdoomenite vastastikuse interaktsiooni puudumise tõttu puudub taolises süsteemis hüsterrees – magneetumus antud magnetväljas on määratud kolloidosakeste orientatsiooni soojuslike fluktuatsioonidega.

Saamine

Näiteks [1]:         A. 2 FeCl₃ + FeCl₂ + 8 NH₃ + 4H₂O –> Fe₃O₄ + 8 NH₄Cl

B. Lisada cis-oleiinhapet CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇COOH õlis
C. Eemaldada vesi.

Rakendused

Valjuhääldite liikuva membraaniga seotud mähise oomilisel takistusel tekitatud soojuse ärajuhtimiseks mähise ja püsimagneti vahelises pilus aga ka membraani võnkumiste summutamiseks, ka võnkumiste summutamiseks CD-ajamites, tihendina pöörleva võlli ja võllišahti vahel, (raskete) mineraalide separatsiooniks erikaalu järgi (vt. E4.2 / D4.2).

Näidised

E4.1. Ferrovedelik plasttopsis magnetalusel.

E4.2. Mensuur ferrovedeliku ja vaskkuuliga magnetalusel.

E4.3. “Vedel magnet”. Mis juhtub, kui tugev magnet kukub ferrovedelikku? Ärge seda katsetage, kui tahate emba-kumba veel kunagi eraldi kasutada!

Demod, katsed

D4.1. Ferrovedeliku pinna kuju magnetväljas sõltuvalt magnetvälja tugevusest.

Väljatugevuse kasvades tekib teatud kriitilisel väljatugevusel nn. Rosensweigi ebastabiilsus – vedeliku pinnal formeerub esialgu üks üksik “piik” (vasakpoolne foto ülal). Väljatugevuse kasvades taoliste piikide arv kasvab (keskmine foto ülal) ja nad korrastuvad 2D ruutvõresse (vasakpoolne foto ülal, valgete joontega on näidatud võre elementaarrakk). Siinses demos muudetakse väljatugevust ferrovedelikku sisaldava topsi kauguse muutmisega magnetalusest:

D4.2. Archimedese jõud ferrovedelikus: ujuv vaskkuul (E4.2, vasakpoolne pilt). Tugevas magnetväljas tekib ferrovedelikus väga tugev siserõhu gradient, millele vastav Archimedese jõud võib paljukordselt ületada raskusjõust tingitud üleslükkejõu. Magnetvälja kõrvaldamisel kuulike upub (parempoolne pilt), kuna ferrovedeliku tihedus on palju väiksem vase tihedusest:

D4.3. Ferrovedeliku termoindutseeritud dünaamika hõõglambiga soojendamisel:

D4.4. Üllatavalt kaob ferrovedeliku esialgne pinnastruktuur (vasakul) pärast paaripäevast seismist magnetväljas (magnetite kohal magnetalusel) – parempoolne pilt.

D4.5. “Superpiigid”. Aga tõeliselt huvitavad asjad hakkavad juhtuma siis, kui nüüd magnetvälja nõrgendada magnetite kaugendamisega. Ferrovedeliku pinnale moodustub väike arv väga teravaid, kitsaid ja kõrgeid “piike”, mille kõrgus kasvab magnetvälja nõrgendamisel teatud piirini (alumised fotod) ja mis kaovad, kui magnetvälja uuesti tugevdada üle kriitilise piiri.

D4.6. Ruutvõre ja heksagonaalne võre. Ferrovedeliku loksutamisel taastub esialgne normaalne faas, kus piigid moodustavad ruutvõre (vasakpoolne foto). Täheldatav on aga ka situatsioon, kus superpiigid on juba lakanud juba olemast, normaalsed piigid moodustavad aga 2D heksagonaalse võre (parempoolne foto) !

D4.7. “Vedel kolb”. Klaaskolvil rippuva rõngasmagneti kaalu tasakaalustab ülerõhk, mis on tekkinud magneti poolt ligitõmmatud ferrovedelikust moodustunud “vedela kolvi” alla jäävas ruumalas oleva õhu kokkusurumisel.

Viited:

1. P. Enzel, N. Adelman, K. J. Beckman, D. J. Campbell, A.B. Ellis, G. C. Lisensky,
   “Preparation of an Aqueous-Based Ferrofluid”, J. Chem. Educ. Vol. 76, 943(1999).

Tänu: Teaduskeskus AHHAA, Diana Kohv, EFS Teadusbuss “Suur Vanker”, Inge Ernits

Koostas: Ailet Õis, JK