Ferrofluide - Définition
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Introduction
Les ferrofluides sont des solutions colloïdales de nanoparticules ferromagnétiques, ferrimagnétiques ou superparamagnétiques d'une taille de l'ordre de 10 nanomètres dans un solvant ou de l'eau. Ces liquides deviennent magnétiques lors de l'application d'un champ magnétique extérieur. Dans certains cas, et si le champ magnétiques est suffisant, ils se hérissent de pointes dont la topologie varie selon les paramètres du champ. Ces pointes sont peu rigides puisqu'elles se déforment si on les touche : la force exercée par le doigt l'emporte sur la cohésion du fluide. Ils ont des applications dans des domaines extrêmement variés.
Les ferrofluides sont le plus souvent composés de nanoparticules de magnétite ou de maghémite, qui sont tous deux des oxydes de fer.
Généralités
Historique
Les ferrofluides sont apparus dans la deuxième moitié du XXe siècle. Ils n'existent pas à l'état naturel, il a donc fallu les synthétiser.
La première approche des fluides magnétiques (ou ferrofluides) a été réalisée par Wilson en 1779 qui a préparé un fluide constitué de fines particules de fer dans de l'eau. Cependant, on ne peut parler d'une réelle synthèse de ferrofluide qu'à partir de 1963. C'est Stephen Papell qui a effectué cette synthèse en mélangeant de la poudre de magnétite à du kérosène (essence) en présence d'acide oléique (huile). Il a ensuite, dans le but d'obtenir des nanoparticules, broyé pendant 10 mois le liquide. Pour la première fois, un ferrofluide stable était crée.
Les travaux de Rosenweig amenèrent à une amélioration du procédé, permettant l'obtention d'un ferrofluide plus concentré et magnétique. Il en découla une production industrielle et une commercialisation des ferrofluides, dans un premier temps essentiellement par l'entreprise Ferrofluidics.
Depuis, la recherche scientifique apporte quotidiennement des avancées dans la synthèse des ferrofluides.
Composition
Deux constituants entrent dans la composition d’un ferrofluide : des particules magnétiques solides et un liquide porteur dans lequel elles baignent.
- Les particules solides
- Les oxydes magnétiques, principalement des particules de ferrite constituent une grande proportion des particules utilisées dans les ferrofluides. Pour les obtenir, on procède soit à un broyage, soit à une alcalinisation d’un mélange aqueux.
- Les particules peuvent être aussi de type métallique, par exemple le nickel, le cobalt, le fer, etc. L'avantage de ces particules est leur forte aimantation. Toutefois, leur rapide oxydation entraine la diminution ou la perte de cette aimantation.
- Le liquide porteur
- On en distingue deux types :
- Les solvants organiques : essentiellement utilisés dans les applications commerciales, ils doivent avoir une grande stabilité à la température. Comme exemple, on peut citer : hydrocarbure aliphatique, diester carboxylique, huile de silicone, polyphéniléther… .
- Les solvants polaires : principalement employés dans les applications médicales. L’eau et les alcools sont les exemples essentiels.
Un autre exemple de liquide porteur est le mercure, qui est un fluide métallique présentant des conductivités thermiques et électriques élevées. Cependant le mercure est visqueux.
Stabilité
Généralités sur la stabilité
Pour pouvoir utiliser les propriétés spécifiques du ferrofluide, il doit être stable (il ne doit pas décanter, et doit rester homogène) même sous l'action d'un champ magnétique. Cette stabilité va dépendre de plusieurs paramètres tels que la taille des particules et certaines forces. Les forces auxquelles sont soumises les particules du ferrofluide sont :
- l'énergie de Van der Waals, une force attractive à courte distance et de valeur proportionnelle à la dimension des particules.
- l'énergie magnétique, qui correspond à une interaction dipôle-dipôle entre nanoparticules. Elle est attractive lorsqu'un champ magnétique est appliqué.
- la répulsion interparticulaire.
- le terme entropique, correspondant à l'énergie d'agitation thermique.
- la gravité
Dans le cas où les forces attractives l'emportent sur les forces répulsives, le ferrofluide n'est plus stable. Cela entraine une séparation du liquide en plusieurs phases et/ou une précipitation des nanoparticules.
Comment rendre le ferrofluide stable ?
Afin d'éviter ce phénomène la taille des nanoparticules doit être de l'ordre du nanomètre (de 5 à 15 nm) et doivent se repousser à courte distance. La répulsion interparticulaire est liée au choix du solvant et à la présence de surfactants (agents dispersants) à la surface des nanoparticules. Ces surfactants permettent de plus de solubiliser la nanoparticule.
- Dans les milieux non polaires
- Les surfactants sont constitués d’une partie hydrophile (forte affinité avec la particule), et d’une partie hydrophobe (soluble dans le solvant).
- La partie hydrophile se fixe à la particule, la partie hydrophobe au solvant, ce qui permet de former l’interface liquide-solide, et donc de lier les deux composants.
- Dans les milieux polaires
- Dans ce cas là, la particule doit être chargée. On met une première couche de surfactant qui rend la particule hydrophobe. La deuxième couche permet à la particule de présenter des groupements polaires vers le solvant et donc d’être facilement solubilisée.
Propriétés physiques
Propriétés magnétiques
Les ferrofluides possèdent de très fortes propriétés magnétiques :
- lorsque le fluide magnétique n'est soumis à aucun champ magnétique, les moments magnétiques portés par les nanoparticules sont orientés aléatoirement. L'aimantation totale du fluide est donc nulle.
- lorsque le ferrofluide est soumis à un champ magnétique, on observe une aimantation. Les moments des particules ont tendance à s'aligner avec le champ auquel elles sont soumises.
Les nanoparticules peuvent être ferromagnétiques, ferrimagnétiques ou superparamagnétiques. Néanmoins, la stabilité du ferrofluide est facilité si les particules sont superparamagnétiques, puisque leur aimantation change spontanément de sens avec l'agitation thermique, réduisant ainsi les interactions magnétiques entre particules. L'aimantation d'un ferrofluide à saturation est égale, à la dilution près, à celle des matériaux qui le compose. Par exemple, un ferrofluide à base de magnétite, concentré à 15%, possède une aimantation de 52,5 kA/m (kelvin ampère par mètre) à saturation.
Propriété optique
Les particules des ferrofluides ont des caractéristiques optiques particulières. Effectivement, ils sont biréfringents et dichroïques (propriété, lorsqu'il est éclairé par une lumière non polarisée, d'apparaitre bicolore lorsqu'on l'observe sous un certain angle par transparence) sous l'influence d'un champ magnétique. Ces caractéristiques sont beaucoup utilisées dans les applications des ferrofluides.
