Superparamagnetische Nanopartikel Ferrofluide Superparamagnetische Nanopartikel Modulsponsor: Dieses Modul wurde mit freundlicher Unterstützung der Metrohm Stiftung Herisau realisiert. September 2014

Magnetische Flüssigkeiten mit erstaunlichen Eigenschaften Quelle: Swiss Nano-Cube Ferrofluid aus Magnetit-Nanopartikeln Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Ferrofluid“ zu finden.

Inhalt Einführung Experimentelle Durchführung Theoretische Grundlagen Materialien, Chemikalien, Vorgehen Sicherheitshinweise Theoretische Grundlagen Grundlagen Magnetismus Oberflächenfunktionalisierung Anwendungen Lernziele/Kontrollfragen

Experimentelle Durchführung Video: Vorgehen bei der Herstellung eines Ferrofluids Video Ferrofluid www.swissnanocube.ch

Experimentelle Durchführung Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe!

Theoretische Grundlagen Grundlagen Magnetismus: Magnetfeld Nordpol Feldlinie Südpol Quelle: Swiss Nano-Cube

Theoretische Grundlagen 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

Theoretische Grundlagen 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. Einzelne Elementarmagnete Magnetisierung nicht magnetisch stark magnetisch

Theoretische Grundlagen 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).

Theoretische Grundlagen 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.

Theoretische Grundlagen Igelstrukturen im Ferrofluid Starker Magnet Quelle: Swiss Nano-Cube Rosensweig Instabilität Drei Kräfte: Magnetfeld, Gravitation, Oberflächen- spannung der Flüssigkeit. Das Ferrofluid befindet sich im Gleichgewicht dieser Kräfte.

Theoretische Grundlagen Flüssige Magnete Warum kann man nicht einfach Eisen schmelzen, um ein Ferrofluid zu erhalten?

Theoretische Grundlagen 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.

Theoretische Grundlagen Flüssige Magnete Warum verklumpen die einzelnen magnetischen Nanopartikel nicht miteinander?

Theoretische Grundlagen 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.

Theoretische Grundlagen Oberflächenfunktionalisierung Quelle: Swiss Nano-Cube

Theoretische Grundlagen Anwendungen Medizin: Krebsbekämpfung durch Hyperthermie-Therapie Medizin: Gerichteter Wirkstofftransport (Drug Targetting) Oberflächenbeschichtung von Tarnkappen Flugzeugen

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.