Techniklexikon

Magnetische Flüssigkeiten (Ferrofluide)

Festkörperphysik

Magnetische Flüssigkeiten bestehen aus kolloidal suspendierten kleinen Teilchen ferromagnetischer Substanzen oder Ferrimagnetika (Durchmesser < 10 nm) in einer Trägerflüssigkeit. Sie verhalten sich makroskopisch wie echte, nicht-newtonsche Flüssigkeiten mit hoher magnetischer Suszeptibilität ( ³ 1). Das gilt für Zeitskalen von mehr als 10^-6 s und Längenskalen von mehr als 10^-7 m. Magnetische Flüssigkeiten vereinigen normale rheologische Eigenschaften mit starken magnetischen Kraftwirkungen auch schon in schwachen Magnetfeldern. Solche kolloidalen Flüssigkeiten wurden erstmals 1965 von S. Papell hergestellt, um Bedürfnisse der Raumfahrttechnik zu befriedigen (Fluidtransport ohne mechanisch bewegte Pumpen, vakuumdichte Durchführungen). Es gelang Papell, sehr kleine Magnetitteilchen durch Anlagerung oberflächenaktiver organischer Kettenmoleküle dauerhaft gegen Koagulation zu stabilisieren. Die Teilchen müssen so klein sein, damit sie weder im Schwerefeld noch in inhomogenen Magnetfeldern oder durch gegenseitige Anziehung merklich sedimentieren oder koagulieren. Das bedingt bei Raumtemperatur einen maximalen Durchmesser von d » 10 nm, damit die thermische Energie die Wirkung der genannten Kräfte übersteigt. Magnetisch gesehen, hat man es also mit Einbereichsteilchen zu tun. Da sie in der Trägerflüssigkeit frei drehbar sind, verhalten sie sich superparamagnetisch (Superparamagnetismus). Die eingebürgerte Bezeichnung Ferrofluide ist also unglücklich gewählt.

Für die Herstellung gibt es im wesentlichen drei Methoden: Entweder zerkleinert man makroskopische ferro- oder ferrimagnetische Stoffe in einer Kugelmühle bis auf die gewünschte Teilchengrösse. Dabei müssen Trägerflüssigkeit (Wasser, Kohlenwasserstoffe, Öle, Ester usw.) und oberflächenaktive Substanzen (Ölsäure, Phosphorsäurederivate, Polyamine usw.) in geeigneter Konzentration, bei bestimmten Zerkleinerungsgeraden und bei bestimmten Temperaturen zugesetzt werden. Andernfalls koagulieren die Teilchen bereits während der Herstellung durch magnetische oder Van-der-Waals-Kräfte. Eine alternative Herstellungsmethode ist die Synthese der Teilchen durch Fällen aus geeigneten Salzlösungen (Beispiel: 8 NaOH + 2 FeCl₃ + FeCl₂  Fe₃O₄ + 8 NaCl + 4 H₂O), ebenfalls unter geeignet dosierter Zugabe von Trägerflüssigkeit und oberflächenaktiven Substanzen. Das Ergenis sind mehr oder weniger kugelförmige Teilchen mit einer relativ breiten Grössenverteilung (siehe [12]Abb. 1). Ihre Volumenkonzentration in der Trägerflüssigkeit kann bis zu 10 % betragen. Das entspricht bei Magnetitteilchen einer Sättigungsmagnetisierung der Flüssigkeit von etwa 50 kA / m (zum Vergleich: reines Eisen besitzt eine Sättigungsmagnetisierung von etwa 1 700 kA / m). Man kann heute magnetische Flüssigkeiten mit einem sehr breiten Eigenschaftsspektrum im Handel erhalten.

Aufgrund der hohen Magnetisierbarkeit der Ferrofluide können schon relativ schwache Magnetfelder grosse hydrodynamische Kräfte hervorrufen. Die magnetische Kraftdichte beträgt

(m₀: Induktionskonstante, M: Magnetisierung, H: Magnetfeld), der magnetische Druck

Für M und  = 2,5 × 10⁵ A / m, H = 10⁵ A / m und  A / m² ergibt sich (F / V)_m » 2,5 × 10⁵ N / m³ und p_m » 2,5 × 10⁴ N / m². Zum Vergleich ist die Schwerkraftdichte (F / V)_g = r g einer solchen Flüssigkeit etwa 10⁴ N / m³ und der Schweredruck p_g = r gh einer 10 cm hohen Flüssigkeitsschicht 10³ N / m². Ein frei beweglicher Permanentmagnet erfährt in einem Ferrofluid eine Kraft, die ihn in die Mitte des Flüssigkeitsvolumens zieht. Ausserdem erfährt er einen magnetischen Auftrieb, der bestrebt ist, ihn vom Boden des Gefässes gegen die Wirkung der Schwerkraft anzuheben.

Bei Strömungsvorgängen in Ferrofluiden ist die magnetische Kraftdichte (F / V)_m in der Navier-Stokes-Gleichung zu berücksichtigen und der magnetische Druck p_m in der Bernoulli-Gleichung. Ausserdem muss man die magnetischen Randbedingungen an der Oberfläche der Flüssigkeit beachten. Das führt zu einer Fülle neuer Phänomene, die in normalen, dia- oder paramagnetischen Flüssigkeiten nicht existieren. Beispiele sind der magnetohydrostatische Auftrieb in einem inhomogen magnetisierten Ferrofluid, die Stachel- und Labyrinth-Instabilität der Flüssigkeitsoberfläche usw. Der magnetohydrostatische Auftrieb ist die Kraftwirkung auf ein Fluidelement in einem inhomogenen lokalen Magnetfeld; er kann in der Raumfahrt genutzt werden: Bei Schwerelosigkeit kann er den archimedischen Auftrieb ersetzen, denn er lässt sich durch das magnetische Feld leicht nach Grösse und Richtung verändern.

In der Technik werden Ferrofluide heute vor allem bei gasdichten oder staubdichten Drehdurchführungen verwendet (z.B. in Plattenlaufwerken für Rechner), ausserdem zur Schwingungsdämpfung und Kühlung von Lautsprecherspulen und zur Bewegungsdämpfung in Schrittmotoren. Die Wirkungsweise dieser Anwendungen ist aus [13]Abb. 2, [14]Abb. 3 und [15]Abb. 4 ersichtlich. Ferrofluide eignen sich auch zum dichtefraktionierten Sortieren von Schrott (siehe [16]Abb. 5), als Arbeitsflüssigkeit für magnetisch gesteuerte Tintenstrahlschreiber, als Transportmedium für thermomagnetische Wärmekraftmaschinen usw. Doch wurden diese zuletzt genannten Methoden noch nicht zur Anwendungsreife entwickelt, weil sie in Konkurrenz zu bereits bewährten und billigeren Verfahren stehen.

In der Medizin gibt es eine Fülle von Anwendungsmöglichkeiten, die sich jedoch alle noch im Forschungs- oder Entwicklungsstadium befinden. Da man in die Blutbahn injizierte Ferrofluide durch äussere Magnetfelder an bestimmten Stellen im Körper räumlich und zeitlich konzentrieren kann, lassen sie sich zum Beispiel als Röntgenkontrastmittel oder als Trägersubstanzen für Pharmazeutika benutzen. Man kann mit ihnen den Blutstrom regulieren, ein Aneurisma isolieren, und man kann auch einen magnetischen Muskel herstellen (siehe [17]Abb. 6). Erst teilweise gelöst sind die Probleme der Stabilität der Ferrofluide im Blut und ihrer Wechselwirkung mit den Blutbestandteilen.

 

Literatur:

E. Blums, A. Cebers, M.M. Maiorov, Magnetic Fluids, W. de Gruyter, Berlin, 1997.
R.E. Rosensweig, Ferrohydrodynamics, Cambridge University Press, Cambridge, 1985.
K. Stierstadt, Magnetische Flüssigkeiten - flüssige Magnete, Phys. Blätter 46, 377-382, 1990.

 

magnetische Flüssigkeiten 1: Kugelförmige Teilchen, wie sie bei der Herstellung magnetischer Flüssigkeiten entstehen.

 

magnetische Flüssigkeiten 2: Gasdichte Durchführung.

 

magnetische Flüssigkeiten 3: Lautsprecherspule.

 

magnetische Flüssigkeiten 4: Schrittmotor.

 

magnetische Flüssigkeiten 5: Dichtefraktioniertes Sortieren von Schrott.

 

magnetische Flüssigkeiten 6: Magnetischer Muskel.