Weird Science

Zrób to sam: ferrofluid

Inte­li­gentny mate­riał

Fer­ro­flu­idy są sub­stan­cjami o wła­ści­wo­ściach makro­sko­po­wych możl­i­wie zbli­żo­nych do cie­czy. Nie­zwy­kłość fer­ro­flu­i­dów polega na tym, w nor­mal­nych warun­kach wyka­zują one silne wła­ści­wo­ści para­ma­gne­tyczne i ule­gają wyraźnej pola­ry­za­cji magne­tycz­nej w obec­no­ści zew­nętrz­nych pól magne­tycz­nych.

Ilustracja: ferrofluid

ferrofluid

Ist­nieje wiele rodza­jów fer­ro­flu­i­dów. Należą one do klasy mate­ria­łów inte­li­gent­nych, to jest takich, które zmie­niają swoje wła­sno­ści w kon­tro­lo­wany spo­sób w reak­cji na bodziec oto­cze­nia. Sub­stan­cje takie są przed­mio­tem inten­syw­nych badań nau­ko­wych - zna­la­zły sze­reg zasto­so­wań we współcze­snym prze­my­śle. Sto­so­wane są między innymi w nowo­cze­snych gło­śni­kach, ukła­dach chło­dzących, pomia­ro­wych, a także w prze­my­śle zbro­je­nio­wym.

Komer­cyjne fer­ro­flu­idy są jed­nak dro­gie i nie zaw­sze łatwo dostępne dla eks­pe­ry­men­ta­tora. Nic nie stoi jed­nak na przesz­ko­dzie, by wypro­du­ko­wać pewną ilość fer­ro­flu­idu we wła­snym zakre­sie, w naszym labo­ra­to­rium!

Otrzy­my­wa­nie

By wypro­du­ko­wać nieco fer­ro­flu­idu musimy się zao­pa­trzyć w sub­stan­cje wymie­nione poni­żej:

Ostrze­że­nie: Chlo­rek żelaza(III) jest tok­syczny, a roz­twór chlorku żelaza(II) jest sil­nie żrący. Nafta jest łatwo­palna, należy zacho­wać ostrożn­ość pod­czas pracy z otwar­tym ogniem. Amo­niak ulat­nia­jący się z wody amo­nia­kal­nej drażni błony ślu­zowe, a w więk­szych stęże­niach jest tru­jący - doświad­cze­nie należy wyko­ny­wać pod dyge­sto­rium lub na zew­nątrz. Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

Każdy fer­ro­fluid składa się z pew­nych pod­sta­wo­wych ele­men­tów - cie­czy nośnej, w której są roz­pro­szone mikro­sko­pijne cząstki sub­stan­cji magne­tycz­nie aktyw­nej, oraz z  sur­fak­tanta.

Naj­pierw trzeba przy­go­to­wać odpo­wied­nie roz­twory chlor­ków żelaza:

O ile przy­go­to­wa­nie roz­tworu chlorku żelaza(III) nie przed­sta­wia żad­nych trud­no­ści, to w przy­padku chlorku żelaza(II) jest to dosyć pro­ble­ma­tyczne. Chlo­rek ten jest bar­dzo nie­tr­wały w roz­two­rze i z łatwo­ścią ulega utle­nie­niu pod wpły­wem tlenu atmos­fe­rycz­nego, dla­tego należy go przy­go­to­wy­wać zaw­sze na świeżo. Czy­sty roz­twór chlorku żelaza(II) ma barwę zie­lon­kawą. Jeśli dys­po­nu­jemy jedy­nie zanie­czysz­czo­nym chlor­kiem o bar­wie bru­nat­nej, to możemy go "odświe­żyć" przez wytrząsa­nie z prosz­kiem żela­znym lub zwit­kiem waty sta­lo­wej, aż do uzy­ska­nia barwy zie­lo­nej, a następ­nie prze­sączyć. Zastęp­czo można też użyć odpo­wied­niej ilo­ści bar­dziej odpor­nej na utle­nia­nie soli Mohra, czyli disiar­czanu(VI) dia­monu i żelaza(II) (NH4)2SO4·FeSO4.

Nie uży­wać mie­sza­dła magne­tycz­nego!

Oba roz­twory należy zmie­szać razem. Tak pow­stałą mie­sza­ninę następ­nie dodaje się powoli por­cjami do 150cm3 wody amo­nia­kal­nej o stęże­niu 10%, za każdym razem ener­gicz­nie mie­sza­jąc. Zacho­dzi sil­nie egzo­ter­miczna reak­cja - z powodu wzro­stu tem­pe­ra­tury z roz­tworu mogą się uwal­niać duże ilo­ści drażn­iącego amo­niaku! Jed­no­cze­śnie można zau­wa­żyć wytrące­nie dużych ilo­ści czar­nego osadu.

Ilustracja: osad

osad

Pow­stały osad składa się mikro­sko­pij­nych cząstek nie­ste­chio­me­trycz­nego tlenku żelaza(II) diże­laza(III) Fe3O4. Związek ten występuje w przy­ro­dzie jako mine­rał magne­tyt, a jego wła­ści­wo­ści magne­tyczne są znane od sta­ro­żyt­no­ści.

Po doda­niu całej objęto­ści roz­tworu chlor­ków, do zawie­siny wpro­wa­dzamy 5cm3 kwasu ole­i­no­wego C18H34O2, ciągle ener­gicz­nie mie­sza­jąc. Pow­stałą mie­sza­ninę należy następ­nie pod­grzać do deli­kat­nego wrze­nia.

Ilustracja: ogrzewana mieszanina

ogrzewana mieszanina

Ogrze­wa­nie należy pro­wa­dzić tak długo, aż prze­sta­nie być wyczu­walny zapach amo­niaku. W tym cza­sie docho­dzi do roz­kładu pow­sta­łego uprzed­nio ole­i­nianu amonu, a uwol­nione jony ole­i­nia­nowe opłasz­czają cząstki magne­tytu, chro­niąc je przed łącze­niem się w więk­sze agre­gaty.

Ostat­nim eta­pem przy­go­to­wy­wa­nia fer­ro­flu­idu jest zawie­sze­nie cząstek magne­tytu w naf­cie, jako cie­czy nośnej. W tym celu do sch­ło­dzo­nej mie­sza­niny dole­wamy 100cm3 nafty i wytrząsamy przez kilka minut. Kwas ole­i­nowy lepiej roz­pusz­cza się w naf­cie niż w wodzie, dzięki czemu cząstki magne­tytu migrują do fazy orga­nicz­nej. Po roz­dzie­le­niu faz wystar­czy zebrać górną, zło­żoną z nafty, oraz zawie­szo­nych w niej, opłasz­czo­nych ole­i­nia­nem cząstek magne­tycz­nych. Fer­ro­fluid jest gotowy!

Ilustracja: gotowy ferrofluid

gotowy ferrofluid

Wła­ści­wo­ści fer­ro­flu­idu

Otrzy­many fer­ro­fluid z pew­no­ścią zacho­wuje się jak ciecz. Weźmy jed­nak kilka nie­wiel­kich magne­sów neo­dy­mo­wych i przy­kryjmy je prze­zro­czy­stą folią, jak to widać poni­żej.

Ilustracja: układ magnesów

układ magnesów

Następ­nie na folię nanie­śmy nieco fero­flu­idu. Ciecz zosta­nie natych­miast przy­ciągnięta do magne­sów. Co więcej, odw­zo­ruje ona także układ pola magne­tycz­nego wytwa­rza­nego przez te magnesy!

Ilustracja: ferrofluid w polu magnetycznym

ferrofluid w polu magnetycznym

Cie­kawe efekty daje także zbli­ża­nie magnesu do powierzchni cie­czy - unosi się ona w kie­runku magnesu.

Ilustracja: deformacja powierzchni

deformacja powierzchni

Przy odpo­wied­nio dużej war­to­ści induk­cji pola magne­tycz­nego wytwa­rza­nego przez magnes, część cie­czy pod­rywa się do góry i "oblewa" jego bie­guny. Przy więk­szej ilo­ści fer­ro­flu­idu magnes zostaje w cało­ści zamk­nięty w płyn­nej pow­łoce. Efekt jest bar­dzo wido­wi­skowy:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Efekt doświad­czeń można też zoba­czyć na moim fil­mie, który został zamiesz­czony poni­żej.

Mimo, że opi­sany fer­ro­fluid ustępuje swymi wła­ści­wo­ściami pro­duk­tom komer­cyj­nym, to jed­nak łatwość jego przy­go­to­wa­nia, niska cena, a także mno­gość inte­re­su­jących obser­wa­cji, jakie można poczy­nić w odnie­sie­niu do tej sub­stan­cji, czy­nią go szcze­gól­nie przy­dat­nym w dydak­tyce.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa