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Ferrofluido

Ferrofluido sobre vidrio, con un imán de neodimio debajo. Steve Papell inventó el ferrofluido para la NASA en 1963. El ferrofluido es un líquido de color oscuro que es atraído p...

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Ferrofluido sobre vidrio, con un imán de neodimio debajo.
Steve Papell inventó el ferrofluido para la NASA en 1963.

El ferrofluido es un líquido de color oscuro que es atraído por los polos de un imán . Es un líquido coloidal compuesto por partículas ferromagnéticas o ferrimagnéticas a nanoescala suspendidas en un fluido portador (generalmente un disolvente orgánico o agua). [ 1 ] Cada partícula magnética está completamente recubierta con un surfactante para evitar la aglomeración. Las partículas ferromagnéticas grandes pueden desprenderse de la mezcla coloidal homogénea, formando un cúmulo separado de polvo magnético cuando se exponen a campos magnéticos intensos. La atracción magnética de las nanopartículas diminutas es lo suficientemente débil como para que la fuerza de van der Waals del surfactante sea suficiente para evitar la aglomeración magnética . Los ferrofluidos generalmente no retienen la magnetización en ausencia de un campo externo aplicado y, por lo tanto, a menudo se clasifican como " superparamagnetos " en lugar de ferromagnetos. [ 2 ]

A diferencia de los ferrofluidos, los fluidos magnetorreológicos (fluidos MR) son fluidos magnéticos con partículas de mayor tamaño. Es decir, un ferrofluido contiene principalmente nanopartículas, mientras que un fluido MR contiene principalmente partículas de tamaño micrométrico. Las partículas en un ferrofluido se mantienen suspendidas por el movimiento browniano y, por lo general, no se sedimentan en condiciones normales, mientras que las partículas en un fluido MR son demasiado pesadas para mantenerse suspendidas por este movimiento. Por lo tanto, las partículas en un fluido MR se sedimentan con el tiempo debido a la diferencia de densidad inherente entre las partículas y el fluido portador. En consecuencia, los ferrofluidos y los fluidos MR tienen aplicaciones muy diferentes.

En 1963, Steve Papell, de la NASA, inventó un proceso para fabricar un ferrofluido con el fin de crear combustible líquido para cohetes que pudiera ser atraído hacia una bomba de combustible en un entorno sin gravedad mediante la aplicación de un campo magnético. [ 3 ] Se introdujo el término ferrofluido, se mejoró el proceso, se sintetizaron líquidos con mayor magnetismo, se descubrieron líquidos portadores adicionales y R. E. Rosensweig y sus colegas dilucidaron la fisicoquímica  . Además, Rosensweig desarrolló una nueva rama de la mecánica de fluidos denominada ferrohidrodinámica, que impulsó nuevas investigaciones teóricas sobre fascinantes fenómenos físicos en los ferrofluidos. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] En 2019, investigadores de la Universidad de Massachusetts y la Universidad de Tecnología Química de Pekín lograron crear un ferrofluido permanentemente magnético que conserva su magnetismo al retirar el campo magnético externo. Los investigadores también descubrieron que las propiedades magnéticas de la gota se conservaban incluso si su forma cambiaba físicamente o se dividía. [ 8 ]

Descripción

RE Rosensweig con ferrofluido en su laboratorio (1965)

Los ferrofluidos están compuestos por partículas nanométricas muy pequeñas (con un diámetro generalmente de 10 nanómetros o menos) de magnetita , hematita u otro compuesto que contenga hierro , y un líquido (generalmente aceite ). Su tamaño es lo suficientemente pequeño como para que la agitación térmica las disperse uniformemente en un fluido portador y contribuya a la respuesta magnética general del fluido. Esto es similar a cómo los iones en una solución acuosa de sal paramagnética (como una solución acuosa de sulfato de cobre(II) o cloruro de manganeso(II) ) hacen que la solución sea paramagnética. La composición de un ferrofluido típico es de aproximadamente un 5 % de sólidos magnéticos, un 10 % de surfactante y un 85 % de portador, en volumen. [ 9 ] Los diferentes enfoques de síntesis adoptados para preparar nanopartículas magnéticas y los mecanismos de formación de nanopartículas, su funcionalización con diferentes agentes de recubrimiento, etc., se discuten en el artículo de revisión reciente. [ 10 ]

Las partículas en los ferrofluidos se dispersan en un líquido, a menudo mediante un surfactante , por lo que los ferrofluidos son suspensiones coloidales : materiales con propiedades de más de un estado de la materia. En este caso, los dos estados de la materia son el metal sólido y el líquido en el que se encuentra. [ 11 ] Esta capacidad de cambiar de fase con la aplicación de un campo magnético permite utilizarlos como sellos , lubricantes y podría abrir nuevas aplicaciones en futuros sistemas nanoelectromecánicos .

Los ferrofluidos auténticos son estables. Esto significa que las partículas sólidas no se aglomeran ni se separan en fases, incluso en campos magnéticos extremadamente fuertes. Sin embargo, el surfactante tiende a degradarse con el tiempo (unos pocos años), y finalmente las nanopartículas se aglomeran, se separan y dejan de contribuir a la respuesta magnética del fluido.

El término fluido magnetorreológico (FMR) se refiere a líquidos similares a los ferrofluidos (FF) que se solidifican en presencia de un campo magnético. Los fluidos magnetorreológicos poseen partículas magnéticas a escala micrométrica , cuyo tamaño es de uno a tres órdenes de magnitud mayor que el de los ferrofluidos.

Sin embargo, los ferrofluidos pierden sus propiedades magnéticas a temperaturas suficientemente altas, conocidas como temperatura de Curie .

Inestabilidad de campo normal

El ferrofluido es la sustancia aceitosa que se acumula en los polos de un imán, la cual se encuentra debajo del aceite marrón.

Cuando un fluido paramagnético se somete a un campo magnético vertical intenso , su superficie forma un patrón regular de picos y valles. Este efecto se conoce como inestabilidad de Rosensweig o inestabilidad de campo normal . La inestabilidad es impulsada por el campo magnético y puede explicarse considerando qué forma del fluido minimiza la energía total del sistema. [ 12 ]

Desde el punto de vista de la energía magnética , los picos y valles son energéticamente favorables. En la configuración ondulada, el campo magnético se concentra en los picos; dado que el fluido se magnetiza más fácilmente que el aire, esto reduce la energía magnética. En consecuencia, los picos del fluido se desplazan a lo largo de las líneas de campo hacia el espacio hasta que se alcanza un equilibrio entre las fuerzas involucradas. [ 13 ]

Al mismo tiempo, la formación de crestas y valles se ve contrarrestada por la gravedad y la tensión superficial . Se requiere energía tanto para mover el fluido fuera de los valles hacia las crestas, como para aumentar la superficie del fluido. En resumen, la formación de ondulaciones aumenta la energía libre superficial y la energía gravitacional del líquido, pero reduce la energía magnética. Las ondulaciones solo se formarán por encima de una intensidad de campo magnético crítica , cuando la reducción de la energía magnética compense el aumento de la energía superficial y gravitacional. [ 14 ]

Simulaciones de ferrofluidos para diferentes parámetros de tensión superficial e intensidad del campo magnético.

Los ferrofluidos tienen una susceptibilidad magnética excepcionalmente alta , y el campo magnético crítico para la aparición de las ondulaciones se puede lograr con un pequeño imán de barra.

Macrofotografía de ferrofluido influenciado por un imán.

Tensioactivos comunes para ferrofluidos

Los tensioactivos jabonosos utilizados para recubrir las nanopartículas incluyen, entre otros:

Estos tensioactivos impiden que las nanopartículas se agrupen, evitando así que se precipiten o formen cúmulos de polvo magnético cerca del imán. En un ferrofluido ideal, las partículas magnéticas nunca se sedimentan, incluso al exponerse a un campo magnético intenso. Un tensioactivo posee una cabeza polar y una cola no polar (o viceversa), una de las cuales se adsorbe a la nanopartícula, mientras que la cola no polar (o la cabeza polar) se proyecta hacia el medio portador, formando una micela inversa o regular , respectivamente, alrededor de la partícula. La repulsión electrostática impide entonces la aglomeración de las partículas.

Si bien los surfactantes son útiles para prolongar la velocidad de sedimentación en los ferrofluidos, también dificultan las propiedades magnéticas del fluido (específicamente, la saturación magnética del fluido ). La adición de surfactantes (o cualquier otra partícula extraña) disminuye la densidad de empaquetamiento de las ferropartículas en su estado activado, lo que reduce la viscosidad del fluido en dicho estado , resultando en un fluido activado más blando. Si bien la viscosidad en estado activado (la dureza del fluido activado) no es tan importante para algunas aplicaciones de ferrofluidos, es una propiedad fundamental para la mayoría de sus aplicaciones comerciales e industriales; por lo tanto, es necesario encontrar un equilibrio entre la viscosidad en estado activado y la velocidad de sedimentación del ferrofluido.

Un ferrofluido en un campo magnético que muestra inestabilidad de campo normal causada por un imán de neodimio debajo del plato.

Aplicaciones

Actual

Dispositivos electrónicos

Los ferrofluidos se utilizan para formar sellos líquidos alrededor de los ejes giratorios de los discos duros . El eje giratorio está rodeado de imanes. Una pequeña cantidad de ferrofluido, colocada en el espacio entre el imán y el eje, se mantiene en su lugar por su atracción magnética. El fluido de partículas magnéticas forma una barrera que impide que los residuos entren en el interior del disco duro. Según los ingenieros de Ferrotec, los sellos de ferrofluido en ejes giratorios suelen soportar de 3 a 4 psi; [ 15 ] se pueden apilar sellos adicionales para formar conjuntos capaces de soportar presiones más altas.

Ingeniería Mecánica

Los ferrofluidos tienen propiedades que reducen la fricción . Si se aplican a la superficie de un imán lo suficientemente potente, como uno de neodimio , pueden hacer que el imán se deslice sobre superficies lisas con una resistencia mínima.

Investigación en ciencia de los materiales

Los ferrofluidos se pueden utilizar para obtener imágenes de las estructuras de dominio magnético en la superficie de materiales ferromagnéticos mediante una técnica desarrollada por Francis Bitter . [ 16 ]

altavoces

Desde 1973, se han utilizado ferrofluidos en altavoces para disipar el calor de la bobina móvil y amortiguar pasivamente el movimiento del cono. Estos se encuentran en el espacio de aire que normalmente rodea la bobina móvil, sujetos por el imán del altavoz. Dado que los ferrofluidos son paramagnéticos, obedecen la ley de Curie y, por lo tanto, su magnetismo disminuye a temperaturas elevadas. Un imán potente colocado cerca de la bobina móvil (que genera calor) atraerá el ferrofluido frío con mayor fuerza que el caliente, empujando así el ferrofluido caliente lejos de la bobina móvil eléctrica y hacia un disipador de calor . Este es un método de refrigeración relativamente eficiente que no requiere aporte de energía adicional. [ 17 ]

Bob Berkowitz de Acoustic Research comenzó a estudiar el ferrofluido en 1972, usándolo para amortiguar la resonancia de un tweeter. Dana Hathaway de Epicure en Massachusetts usaba ferrofluido para la amortiguación de tweeters en 1974, y notó el mecanismo de enfriamiento. Fred Becker y Lou Melillo de Becker Electronics también fueron pioneros en su adopción en 1976, y Melillo se unió a Ferrofluidics y publicó un artículo en 1980. [ 18 ] En sonido para conciertos, Showco comenzó a usar ferrofluido en 1979 para enfriar woofers. [ 19 ] Panasonic fue el primer fabricante asiático en incorporar ferrofluido en altavoces comerciales, en 1979. El campo creció rápidamente a principios de la década de 1980. Hoy en día,  se producen unos 300 millones de transductores generadores de sonido al año con ferrofluido en su interior, incluidos los altavoces instalados en computadoras portátiles, teléfonos celulares, auriculares y audífonos. [ 20 ]

separaciones celulares

Los ferrofluidos conjugados con anticuerpos o agentes de captura comunes como la estreptavidina (SA) o la inmunoglobulina anti-ratón de rata (RAM) se utilizan en la separación inmunomagnética , un subconjunto de la clasificación celular . [ 21 ] Estos ferrofluidos conjugados se utilizan para unirse a las células objetivo y luego separarlas magnéticamente de una mezcla celular mediante un separador magnético de bajo gradiente. Estos ferrofluidos tienen aplicaciones como la terapia celular , la terapia génica y la fabricación celular , entre otras.

Audiovisualización

Desde el punto de vista estético, los ferrofluidos pueden utilizarse para visualizar el sonido . Para ello, la gota de ferrofluido se suspende en un líquido transparente. Un electroimán actúa sobre la forma del ferrofluido en respuesta al volumen o la frecuencia de audio de la música, lo que le permite reaccionar selectivamente a los agudos o graves de una canción. [ 22 ] [ 23 ]

Ferrolens

Se puede crear un dispositivo magnetoóptico y una lente óptica dinámica para la visualización del flujo del campo magnético utilizando una película delgada superparamagnética encapsulada y sellada entre dos lentes ópticas planas. La película delgada está hecha de un ferrofluido muy diluido, casi transparente, de varias micras de espesor. La ferrolente tiene una matriz de anillos LED alrededor de su perímetro que la ilumina. Cuando se proyecta un campo magnético externo sobre la superficie de la película delgada, se produce un patrón de huella de campo magnético de flujo 2D, similar al experimento clásico de Faraday con limaduras de hierro . Este patrón incluye información sobre la profundidad del campo externo que muestra el dispositivo de ferrolente, a pesar de que la película delgada tiene un espesor finito de solo unas pocas micras (es decir, de 10 a 20 μm). [ 24 ]

Anterior

Aplicaciones médicas

Se comercializaron varios ferrofluidos para su uso como agentes de contraste en imágenes por resonancia magnética , que dependen de la diferencia en los tiempos de relajación magnética de diferentes tejidos para proporcionar contraste. [ 25 ] [ 26 ] Varios agentes se introdujeron y luego se retiraron del mercado, incluyendo Feridex IV (también conocido como Endorem y ferumóxidos), descontinuado en 2008; [ 27 ] resovist (también conocido como Cliavist), de 2001 a 2009; [ 28 ] Sinerem (también conocido como Combidex), retirado en 2007; [ 29 ] Lumirem (también conocido como Gastromark), de 1996 [ 30 ] a 2012; [ 31 ] [ 32 ] Clariscan (también conocido como PEG-fero, Feruglose y NC100150), cuyo desarrollo se interrumpió debido a problemas de seguridad. [ 33 ]

Futuro

propulsión de naves espaciales

Los ferrofluidos pueden autoensamblarse formando puntas afiladas con forma de aguja a escala nanométrica bajo la influencia de un campo magnético. Cuando alcanzan un grosor crítico, las agujas comienzan a emitir chorros que podrían utilizarse en el futuro como mecanismo de propulsión para impulsar pequeños satélites como los CubeSats . [ 34 ]

Instrumentación analítica

Los ferrofluidos tienen numerosas aplicaciones ópticas debido a sus propiedades refractivas ; es decir, cada grano, un microimán , refleja la luz. Estas aplicaciones incluyen la medición de la viscosidad específica de un líquido colocado entre un polarizador y un analizador , iluminado por un láser de helio-neón . [ 35 ]

Aplicaciones médicas

Se han propuesto ferrofluidos para la administración dirigida de fármacos mediante campos magnéticos. En este proceso, los fármacos se unirían o encapsularían en un ferrofluido y podrían ser dirigidos y liberados selectivamente mediante campos magnéticos. [ 36 ]

También se ha propuesto para la hipertermia magnética dirigida convertir la energía electromagnética en calor. [ 37 ]

También se ha propuesto como una forma de nanocirugía para separar un tejido de otro, por ejemplo, un tumor del tejido en el que ha crecido. [ 25 ]

Transferencia de calor

Un campo magnético externo aplicado a un ferrofluido con susceptibilidad variable (por ejemplo, debido a un gradiente de temperatura) genera una fuerza magnética no uniforme, lo que da lugar a un tipo de transferencia de calor denominada convección termomagnética . Este tipo de transferencia de calor puede resultar útil cuando la convección convencional es insuficiente; por ejemplo, en dispositivos microscópicos o en condiciones de gravedad reducida .

En 2007 se demostró la conductividad térmica sintonizable mediante campo magnético (con un aumento de aproximadamente el 300 % en la conductividad térmica). Este gran aumento en k se atribuyó al transporte eficiente de calor a través de trayectorias de nanopartículas percolantes. Los nanofluidos magnéticos especiales con una relación de conductividad térmica a viscosidad sintonizable pueden utilizarse como "materiales inteligentes" multifuncionales que pueden eliminar el calor y también amortiguar vibraciones. Dichos fluidos pueden encontrar aplicaciones en dispositivos microfluídicos y sistemas microelectromecánicos ( MEMS ). [ 38 ] Recientemente se publicó una revisión sobre la conductividad térmica sintonizable y la reología de los ferrofluidos. [ 39 ]

Óptica

Se está llevando a cabo una investigación para crear un espejo magnético de óptica adaptativa con forma variable a partir de ferrofluido para telescopios astronómicos terrestres . [ 40 ]

Los filtros ópticos se utilizan para seleccionar diferentes longitudes de onda de luz. El reemplazo de filtros es engorroso, especialmente cuando la longitud de onda cambia continuamente con láseres sintonizables. Se pueden construir filtros ópticos sintonizables para diferentes longitudes de onda variando el campo magnético utilizando emulsión de ferrofluido. [ 41 ]

Recolección de energía

Los ferrofluidos permiten aprovechar la energía de vibración del entorno. Los métodos existentes para aprovechar  vibraciones de baja frecuencia (<100 Hz) requieren el uso de estructuras resonantes sólidas. Con los ferrofluidos, los diseños de recolectores de energía ya no necesitan estructuras sólidas. Un ejemplo de recolección de energía basada en ferrofluidos consiste en colocar el ferrofluido dentro de un recipiente para utilizar vibraciones mecánicas externas y generar electricidad dentro de una bobina enrollada alrededor del recipiente y rodeada por un imán permanente. [ 42 ] Primero, se coloca un ferrofluido dentro de un recipiente que está envuelto con una bobina de alambre. Luego, el ferrofluido se magnetiza externamente utilizando un imán permanente. Cuando las vibraciones externas hacen que el ferrofluido se mueva dentro del recipiente, se produce un cambio en los campos de flujo magnético con respecto a la bobina de alambre. Mediante la ley de inducción electromagnética de Faraday , se induce un voltaje en la bobina de alambre debido al cambio en el flujo magnético. [ 42 ]

Véase también

Referencias

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  • La química cobra vida: Ferrofluid (se requiere suscripción)
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