Nanotechnologie in der Schule - Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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9 Physikalische Anforderungen an ein Ferrofluid Abb. 9.3: Anziehendes Dipol-Dipol-Potential zwischen zwei Ferrofluidpartikeln einen konstanten Wert: Edd = π µ0M 9 2d3 23 = 1 12 µ0M 2 V (9.20) Bei dieser Gleichung wird angenommen, dass sich die magnetischen Momente der Teilchen aneinander ausrichten, was durch Anlegen eines externen Magnetfeldes geschieht. Ohne das Magnetfeld wäre dies aufgrund thermischer Bewegung der Teilchen unwahrscheinlich. Unter Umständen kann ein Ferrofluid somit beim Anlegen eines Magnetfeldes agglomerieren, auch wenn es andernfalls, d.h. ohne externes Magnetfeld, stabil wäre [AK09, Seite 58]. 9.3 Repulsive Wechselwirkungen Um zu verhindern, dass die Teilchen aufgrund der attraktiven Wechselwirkungen agglome- rieren ist es notwendig, ein abstoßendes Potential zu erzeugen. Dies kann auf unterschied- liche Art und Weise geschehen, was nun aufgezeigt werden soll: 9.3.1 Sterisch-stabilisierte Ferrofluide Eine Möglichkeit besteht darin, der Suspension aus Ferropartikeln und Trägerflüssigkeit noch eine weitere Art von Molekülen, sog. Surfactantmoleküle, zuzufügen [Hei10]. Diese sollen die Magnetitteilchen chemisch umschließen, um das Agglomerieren der Teilchen un- tereinander zu unterbinden. Es gibt zwei unterschiedliche Arten von Molekülen, die hierfür 108
9.3 Repulsive Wechselwirkungen geeignet sind, da der Teil der Moleküle, der nicht an die Ferropartikel andockt, entweder wasser- oder in Kohlenwasserstoffen löslich ist. Je nachdem erhält man ein Ferrofluid auf Wasserbasis oder auf Petroleumbasis, wobei letzteres nun genauer charakterisiert werden soll. Um das abstoßende Potential zwischen den wechselwirkenden Magnetitpartikeln her- zustellen, verwendet man hierbei möglichst langkettige Moleküle mit einem hydrophilen und einem hydrophoben Ende, wie beispielsweise Ölsäure C 18 H 34 O 2 . Das hydrophobe En- de „dockt“ an die Magnetitteilchen an, so dass man mit einer passenden Trägerflüssigkeit die neuen Teilchen lösen kann. Für das abstoßende Potential gilt: Esteric = kbT πd 2 ζ 2 � � � 2 + l 1 + t 2 − · ln − t 1 + l/2 l � t (9.21) ζ bezeichnet die Oberflächenkonzentration der Surfacantmoleküle, t das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Ferropartikel d zu dessen Molekülhüllendicke δ. Es gilt t = 2δ d . Abb. 9.4: Funktionsprinzip der sterischen Abstoßung [AK09, Abbildung 3.13, Seite 57] Die Abbildung 9.4 zeigt ein Ferrofluid, bei dem die Magnetit-Teilchen mittels Surfactat- Molekülen isoliert wurden, damit sie nicht agglomerieren. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, eine Nanoteilchen-Konzentration in der Flüssigkeit von bis zu 10% zu erreichen. In Abbildung 9.5 auf der nächsten Seite sind alle Wechselwirkungen der Ferrofluidteilchen zusammenfassend dargestellt. Hierbei wurde für das sterische abstoßende Potential eine Oberflächenkonzentration ζ = 1018 Moleküle m2 und ein Partikeldurchmesser d = 10 nm gewählt. Man kann erkennen, dass eine Dicke der Surfactantmolekülschicht von δ = 0, 5 nm 109
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9 Physikalische Anfor<strong>der</strong>ungen an e<strong>in</strong> Ferrofluid<br />
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e<strong>in</strong>en konstanten Wert:<br />
Edd = π µ0M<br />
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2d3 23 = 1<br />
12 µ0M 2 V (9.20)<br />
Bei dieser Gleichung wird angenommen, dass sich die magnetischen Momente <strong>der</strong> Teilchen<br />
ane<strong>in</strong>an<strong>der</strong> ausrichten, was durch Anlegen e<strong>in</strong>es externen Magnetfeldes geschieht. Ohne das<br />
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Umständen kann e<strong>in</strong> Ferrofluid somit beim Anlegen e<strong>in</strong>es Magnetfeldes agglomerieren, auch<br />
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Um zu verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n, dass die Teilchen aufgrund <strong>der</strong> attraktiven Wechselwirkungen agglome-<br />
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E<strong>in</strong>e Möglichkeit besteht dar<strong>in</strong>, <strong>der</strong> Suspension aus Ferropartikeln und Trägerflüssigkeit<br />
noch e<strong>in</strong>e weitere Art von Molekülen, sog. Surfactantmoleküle, zuzufügen [Hei10]. Diese<br />
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