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Datum: Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen Tel. +41 (0) 71 274 72 66,

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Präsentation zum Thema: "Datum: Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen Tel. +41 (0) 71 274 72 66,"—  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 3. Dezember 2010 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 Einführung 4 Video: Krebs bekämpfen mit Ferrofluiden Video Magforce

5 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Experimentelle Durchführung 5 Video: Vorgehen bei der Herstellung eines Ferrofluids Video Ferrofluid

6 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Experimentelle Durchführung 6 Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe!

7 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 7 Grundlagen Magnetismus: Magnetfeld Quelle: Swiss Nano-Cube Feldlinie Nordpol Südpol

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

9 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 9 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

10 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 10 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).

11 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 11 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.

12 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 12 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

13 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen 13 Theoretische Grundlagen Flüssige Magnete Warum kann man nicht einfach Eisen schmelzen, um ein Ferrofluid zu erhalten?

14 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 14 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.

15 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen 15 Theoretische Grundlagen Flüssige Magnete Warum verklumpen die einzelnen magnetischen Nanopartikel nicht miteinander?

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

17 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen 17 Theoretische Grundlagen Oberflächenfunktionalisierung Quelle: Swiss Nano-Cube

18 © Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen Medizin: Krebsbekämpfung durch Hyperthermie-Therapie Medizin: Gerichteter Wirkstofftransport (Drug Targetting) Oberflächenbeschichtung von Tarnkappen Flugzeugen 18 Anwendungen

19 © 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. 19


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