Datum: Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen Tel. +41 (0) 71 274 72 66, [email protected]

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Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft

Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen

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www.swissnanocube.ch

Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für

Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere

Fachschulen

Ferrofluide

3. Dezember 2010

Superparamagnetische Nanopartikel

Modulsponsor:

Dieses Modul wurde mit freundlicher Unterstützung der Metrohm Stiftung Herisau realisiert.

© 2010 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen

Magnetische Flüssigkeiten mit erstaunlichen Eigenschaften

2

Quelle: Swiss Nano-Cube

Ferrofluid aus Magnetit-Nanopartikeln

Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Ferrofluid“ zu finden.


Inhalt

3

Einführung

Experimentelle Durchführung

Materialien, Chemikalien, Vorgehen

Sicherheitshinweise

Theoretische Grundlagen

Grundlagen Magnetismus

Oberflächenfunktionalisierung

Anwendungen

Lernziele/Kontrollfragen


Einführung

4

Video: Krebs bekämpfen mit Ferrofluiden

Video Magforce

www.magforce.de



5

Video: Vorgehen bei der Herstellung eines Ferrofluids

Video Ferrofluid

www.swissnanocube.ch



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Sicherheitshinweise

Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe!



7

Grundlagen Magnetismus: Magnetfeld


Feldlinie

Nordpol

Südpol



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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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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.

Magnetisierung

Einzelne Elementarmagnete

nicht magnetisch stark magnetisch



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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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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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Igelstrukturen im Ferrofluid


Rosensweig Instabilität

Drei Kräfte: Magnetfeld, Gravitation, Oberflächen-spannung der Flüssigkeit.

Das Ferrofluid befindet sich im Gleichgewicht dieser Kräfte.

Starker Magnet

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Flüssige Magnete

Warum kann man nicht einfach Eisen schmelzen, um ein Ferrofluid zu erhalten?



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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.



Flüssige Magnete

Warum verklumpen die einzelnen magnetischen Nanopartikel nicht miteinander?



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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.



Oberflächenfunktionalisierung




Medizin: Krebsbekämpfung durch Hyperthermie-Therapie

Medizin: Gerichteter Wirkstofftransport (Drug Targetting)

Oberflächenbeschichtung von Tarnkappen Flugzeugen

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Anwendungen


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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