Fluido ferromagnético ( FMF , fluido magnético , ferrofluido , ferrofluido ) (del latín ferrum - hierro) - un líquido que está fuertemente polarizado en presencia de un campo magnético .
Los ferrofluidos son sistemas coloidales que consisten en partículas ferromagnéticas o ferrimagnéticas de tamaño nanométrico suspendidas en un líquido portador, que suele ser un disolvente orgánico o agua . Para garantizar la estabilidad de dicho líquido, las partículas ferromagnéticas se asocian con una sustancia tensioactiva (surfactante), que forma una capa protectora alrededor de las partículas y evita que se peguen entre sí debido a las fuerzas magnéticas o de van der Waals .
A pesar del nombre, los ferrofluidos no exhiben propiedades ferromagnéticas porque no retienen la magnetización residual después de la desaparición de un campo magnético externo. Contrariamente a su nombre, los ferrofluidos son paramagnéticos [1] [2] y, a menudo, se denominan "superparamagnéticos" [1] [2] debido a su alta susceptibilidad magnética .
Los ferrofluidos están compuestos por partículas de tamaño nanométrico (típicamente 10 nm o menos) de magnetita , hematita u otro material que contenga hierro , suspendidas en un fluido portador. Son lo suficientemente pequeños como para que el movimiento térmico los distribuya uniformemente por todo el fluido portador, de modo que contribuyan a la respuesta del fluido como un todo al campo magnético. De manera similar, los iones en soluciones acuosas de sales paramagnéticas (por ejemplo, una solución acuosa de sulfato de cobre (II) o cloruro de manganeso (II) ) imparten propiedades paramagnéticas a la solución.
Los ferrofluidos son soluciones coloidales, sustancias que tienen las propiedades de más de un estado de la materia. En este caso, los dos estados son el metal sólido y el líquido en el que está contenido. [3] Esta capacidad de cambiar de estado bajo la influencia de un campo magnético permite el uso de ferrofluidos como selladores , lubricantes y también puede abrir otras aplicaciones en futuros sistemas nanoelectromecánicos.
Los ferrofluidos son estables: sus partículas sólidas no se pegan entre sí y no se separan en una fase separada, incluso en un campo magnético muy fuerte. Sin embargo, los tensioactivos en un líquido tienden a degradarse con el tiempo (unos pocos años) y, finalmente, las partículas se adhieren, se separan del líquido y dejan de afectar la respuesta del líquido a un campo magnético. Además, los ferrofluidos pierden sus propiedades magnéticas a su temperatura de Curie , que para ellos depende del material específico de las partículas ferromagnéticas, el tensioactivo y el fluido portador.
El término " fluido magnetorreológico " se refiere a fluidos que, como los ferrofluidos, se solidifican en presencia de un campo magnético. La diferencia entre el ferrofluido y el fluido magnetorreológico está en el tamaño de las partículas. Las partículas en un ferrofluido son principalmente partículas de tamaño nanométrico que están en suspensión debido al movimiento browniano y no se asientan en condiciones normales. Las partículas en un fluido magnetorreológico son principalmente de tamaño micrométrico (1 a 3 órdenes de magnitud más grandes); son demasiado pesados para mantenerse en suspensión por el movimiento browniano y, por lo tanto, se asientan con el tiempo debido a la diferencia de densidad natural entre las partículas y el fluido portador. Como consecuencia, estos dos tipos de fluidos tienen diferentes aplicaciones.
Bajo la influencia de un campo magnético dirigido verticalmente bastante fuerte , la superficie de un líquido con propiedades paramagnéticas forma espontáneamente una estructura regular de pliegues. Este efecto se conoce como " inestabilidad de campo normalmente dirigida ". La formación de pliegues aumenta la energía libre de la superficie y la energía gravitatoria del líquido, pero reduce la energía del campo magnético. Tal configuración ocurre solo cuando se excede el valor crítico del campo magnético, cuando la disminución de su energía excede la contribución del aumento de la energía libre de la superficie y la energía gravitatoria del líquido. Los ferrofluidos tienen una susceptibilidad magnética muy alta y, para un campo magnético crítico, una pequeña barra magnética puede ser suficiente para causar arrugas en la superficie.
Para envolver partículas en un ferrofluido, se utilizan los siguientes tensioactivos , en particular :
Los tensioactivos evitan que las partículas se peguen entre sí, evitando que formen grupos demasiado pesados que no puedan mantenerse en suspensión debido al movimiento browniano. En un ferrofluido ideal, las partículas magnéticas no se asientan ni siquiera en un campo magnético o gravitacional muy fuerte . Las moléculas de surfactante tienen una "cabeza" polar y una "cola" no polar (o viceversa); uno de los extremos se adsorbe a la partícula, mientras que el otro se une a las moléculas del líquido portador, formando, respectivamente, una micela regular o inversa alrededor de la partícula. Como resultado, los efectos espaciales evitan que las partículas se peguen. Los ácidos poliacrílico, cítrico y sus sales forman una doble capa eléctrica en la superficie de las partículas como resultado de la adsorción de polianiones, lo que da lugar a la aparición de fuerzas de repulsión de Coulomb entre las partículas, lo que aumenta la estabilidad del líquido base agua. .
Si bien los tensioactivos son útiles para prolongar el tiempo de sedimentación de las partículas en un ferrofluido, son perjudiciales para sus propiedades magnéticas (especialmente la saturación magnética del fluido). La adición de un tensioactivo (u otra materia extraña) reduce la densidad de empaquetamiento de las partículas ferromagnéticas en el estado activado del fluido, reduciendo así su viscosidad en ese estado, dando como resultado un fluido activado "más suave". Y aunque para algunas aplicaciones la viscosidad del ferrofluido en estado activado (por así decirlo, su "dureza") no es muy importante, para la mayoría de las aplicaciones comerciales e industriales esta es la propiedad más importante del fluido, por lo que un cierto compromiso entre es necesaria la viscosidad en estado activado y la velocidad de sedimentación de las partículas. La excepción son los tensioactivos a base de polielectrolitos , que permiten obtener líquidos muy concentrados y de baja viscosidad.
El ferrofluido se usa en algunos tweeters para eliminar el calor de la bobina móvil. Al mismo tiempo, funciona como amortiguador mecánico , suprimiendo resonancias no deseadas . El ferrofluido se mantiene en el espacio alrededor de la bobina de voz por un fuerte campo magnético mientras está en contacto con ambas superficies magnéticas y la bobina al mismo tiempo.
El ferrofluido es capaz de reducir la fricción . Aplicado a la superficie de un imán suficientemente fuerte, como el neodimio , permite que el imán se deslice sobre una superficie lisa con una resistencia mínima.
Ferrari utiliza fluidos magnetorreológicos en algunos modelos de automóviles para mejorar las capacidades de suspensión . Bajo la influencia de un electroimán controlado por computadora , la suspensión puede volverse instantáneamente más rígida o más blanda. Además de Ferrari, tales desarrollos se han utilizado durante mucho tiempo en automóviles de Audi, Cadillac, BMW y otros. [cuatro]
La Fuerza Aérea de EE. UU. ha introducido un revestimiento absorbente de radar a base de ferrofluido . Al reducir el reflejo de las ondas electromagnéticas , ayuda a reducir el área de dispersión efectiva de la aeronave .
La NASA ha estado experimentando con el uso de un ferrofluido en un anillo cerrado como base para un sistema de estabilización de naves espaciales en el espacio. El campo magnético actúa sobre el ferrofluido en el anillo, cambiando el momento angular y afectando la rotación de la nave.
Los ferrofluidos tienen muchas aplicaciones en óptica debido a sus propiedades refractivas. Entre estas aplicaciones se encuentra la medición de la viscosidad específica de un líquido colocado entre un polarizador y un analizador, iluminado por un láser de helio-neón .
Se están realizando muchos experimentos sobre el uso de ferrofluidos para extirpar tumores .
Si un campo magnético actúa sobre un ferrofluido con diferente susceptibilidad (por ejemplo, debido a un gradiente de temperatura ), se produce una fuerza de cuerpo magnético no homogéneo, lo que conduce a una forma de transferencia de calor llamada convección termomagnética . Esta forma de transferencia de calor se puede utilizar cuando la convección convencional no es adecuada , como en microdispositivos o bajo gravedad reducida .
Ya se ha mencionado el uso de ferrofluido para la disipación de calor en altavoces. El líquido ocupa el espacio alrededor de la bobina móvil, siendo retenido por el campo magnético. Debido a que los ferrofluidos son paramagnéticos, obedecen la ley de Curie-Weiss y se vuelven menos magnéticos a medida que aumenta la temperatura. Un imán fuerte ubicado junto a la bobina de voz, que genera calor, atrae el líquido frío más que el líquido caliente, arrastrando el líquido caliente lejos de la bobina y hacia el enfriador . Este es un método de enfriamiento eficiente que no requiere costos adicionales de energía. [5]
Un fluido ferromagnético congelado o polimerizado, que se encuentra en la combinación de campos magnéticos constantes (magnetizantes) y alternos, puede servir como fuente de oscilaciones elásticas con una frecuencia de campo alterno, que puede usarse para generar ultrasonido . [6]
El ferrofluido se puede utilizar como parte de un separador de líquido magnético para limpiar el oro fino del lodo .