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Datum: Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen Tel. +41 (0) 71 278 02 04,

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Präsentation zum Thema: "Datum: Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen Tel. +41 (0) 71 278 02 04,"—  Präsentation transkript:

1 Datum: Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen Tel. +41 (0) , Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen Ferrofluide September 2014 Superparamagnetische Nanopartikel Modulsponsor: Dieses Modul wurde mit freundlicher Unterstützung der Metrohm Stiftung Herisau realisiert.

2 © 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.

3 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Inhalt 3  Einführung  Experimentelle Durchführung  Materialien, Chemikalien, Vorgehen  Sicherheitshinweise  Theoretische Grundlagen  Grundlagen Magnetismus  Oberflächenfunktionalisierung  Anwendungen  Lernziele/Kontrollfragen

4 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Experimentelle Durchführung 4 Video: Vorgehen bei der Herstellung eines Ferrofluids Video Ferrofluid

5 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Experimentelle Durchführung 5 Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe!

6 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 6 Grundlagen Magnetismus: Magnetfeld Quelle: Swiss Nano-Cube Feldlinie Nordpol Südpol

7 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 7 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

8 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 8 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

9 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 9 Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung  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).

10 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 10 Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung  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.

11 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 11 Igelstrukturen im Ferrofluid Quelle: Swiss Nano-Cube  Rosensweig Instabilität  Drei Kräfte: Magnetfeld, Gravitation, Oberflächen- spannung der Flüssigkeit.  Das Ferrofluid befindet sich im Gleichgewicht dieser Kräfte. Starker Magnet

12 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen 12 Theoretische Grundlagen Flüssige Magnete Warum kann man nicht einfach Eisen schmelzen, um ein Ferrofluid zu erhalten?

13 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 13 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.

14 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen 14 Theoretische Grundlagen Flüssige Magnete Warum verklumpen die einzelnen magnetischen Nanopartikel nicht miteinander?

15 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 15 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.

16 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen 16 Theoretische Grundlagen Oberflächenfunktionalisierung Quelle: Swiss Nano-Cube

17 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen  Medizin: Krebsbekämpfung durch Hyperthermie-Therapie  Medizin: Gerichteter Wirkstofftransport (Drug Targetting)  Oberflächenbeschichtung von Tarnkappen Flugzeugen 17 Anwendungen

18 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen 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. 18


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