El ferrofluido es un líquido que se siente atraído por los polos de un imán . Es un líquido coloidal hecho de partículas ferromagnéticas o ferromagnéticas a escala nanométrica suspendidas en un fluido portador (normalmente un disolvente orgánico o agua). [1] Cada partícula magnética está completamente recubierta con un surfactante para inhibir la aglomeración. Las partículas ferromagnéticas grandes pueden desprenderse de la mezcla coloidal homogénea, formando un grupo separado de polvo magnético cuando se exponen a campos magnéticos fuertes. La atracción magnética de las nanopartículas diminutas es lo suficientemente débil como para que la fuerza de Van der Waals del surfactante sea suficiente para evitar la aglomeración o aglutinación magnética . Los ferrofluidos normalmente no retienen la magnetización en ausencia de un campo aplicado externamente y, por lo tanto, a menudo se clasifican como " superparaimanes " en lugar de ferroimanes. [2]
A diferencia de los ferrofluidos, los fluidos magnetorreológicos (fluidos MR) son fluidos magnéticos con partículas más grandes. Es decir, un ferrofluido contiene principalmente nanopartículas, mientras que un fluido MR contiene principalmente partículas a escala micrométrica. Las partículas en un ferrofluido están suspendidas por el movimiento browniano y generalmente no se asentarán en condiciones normales, mientras que las partículas en un fluido MR son demasiado pesadas para estar suspendidas por el movimiento browniano. Por lo tanto, las partículas en un fluido MR se asentarán con el tiempo debido a la diferencia de densidad inherente entre las partículas y su fluido portador. Como resultado, los ferrofluidos y los fluidos MR tienen aplicaciones muy diferentes.
En 1963, Steve Papell, de la NASA, inventó un proceso para fabricar un ferrofluido con el fin de crear combustible líquido para cohetes que pudiera ser atraído hacia una bomba de combustible en un entorno sin gravedad mediante la aplicación de un campo magnético. [3] Se introdujo el nombre de ferrofluido, se mejoró el proceso, se sintetizaron líquidos más altamente magnéticos, se descubrieron líquidos portadores adicionales y R. E. Rosensweig y sus colegas dilucidaron la química física. Además, Rosensweig desarrolló una nueva rama de la mecánica de fluidos denominada ferrohidrodinámica, que dio lugar a más investigaciones teóricas sobre los intrigantes fenómenos físicos de los ferrofluidos. [4] [5] [6] [7] En 2019, investigadores de la Universidad de Massachusetts y la Universidad de Tecnología Química de Pekín lograron crear un ferrofluido permanentemente magnético que conserva su magnetismo cuando se elimina el campo magnético externo. Los investigadores también descubrieron que las propiedades magnéticas de la gota se conservaban incluso si se cambiaba físicamente la forma o se dividía. [8]
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Los ferrofluidos están compuestos de partículas nanométricas muy pequeñas (diámetro generalmente de 10 nanómetros o menos) de magnetita , hematita o algún otro compuesto que contenga hierro y un líquido (generalmente aceite ). Este es lo suficientemente pequeño como para que la agitación térmica los disperse uniformemente dentro de un fluido portador y para que contribuyan a la respuesta magnética general del fluido. Esto es similar a la forma en que los iones en una solución de sal paramagnética acuosa (como una solución acuosa de sulfato de cobre (II) o cloruro de manganeso (II) ) hacen que la solución sea paramagnética. La composición de un ferrofluido típico es de aproximadamente 5% de sólidos magnéticos, 10% de surfactante y 85% de portador, por volumen. [9]
Las partículas de los ferrofluidos se dispersan en un líquido, a menudo utilizando un surfactante , y por lo tanto los ferrofluidos son suspensiones coloidales : materiales con propiedades de más de un estado de la materia. En este caso, los dos estados de la materia son el metal sólido y el líquido en el que se encuentra. [10] Esta capacidad de cambiar de fase con la aplicación de un campo magnético permite que se utilicen como sellos , lubricantes y pueden abrir nuevas aplicaciones en futuros sistemas nanoelectromecánicos .
Los verdaderos ferrofluidos son estables. Esto significa que las partículas sólidas no se aglomeran ni se separan en fases, incluso en campos magnéticos extremadamente fuertes. Sin embargo, el surfactante tiende a descomponerse con el tiempo (unos años) y, finalmente, las nanopartículas se aglomerarán, se separarán y dejarán de contribuir a la respuesta magnética del fluido.
El término fluido magnetorreológico (MRF) se refiere a líquidos similares a los ferrofluidos (FF) que se solidifican en presencia de un campo magnético. Los fluidos magnetorreológicos tienen partículas magnéticas de escala micrométrica que son de uno a tres órdenes de magnitud más grandes que las de los ferrofluidos.
Sin embargo, los ferrofluidos pierden sus propiedades magnéticas a temperaturas suficientemente altas, conocidas como temperatura de Curie .
Cuando un fluido paramagnético se somete a un campo magnético vertical intenso , la superficie forma un patrón regular de picos y valles. Este efecto se conoce como inestabilidad de campo normal o de Rosensweig . La inestabilidad es impulsada por el campo magnético; se puede explicar considerando qué forma del fluido minimiza la energía total del sistema. [11]
Desde el punto de vista de la energía magnética , los picos y valles son energéticamente favorables. En la configuración corrugada, el campo magnético se concentra en los picos; dado que el fluido se magnetiza más fácilmente que el aire, esto reduce la energía magnética. En consecuencia, los picos de fluido recorren las líneas de campo hacia el espacio hasta que se produce un equilibrio de las fuerzas involucradas. [12]
Al mismo tiempo, la formación de picos y valles se ve resistida por la gravedad y la tensión superficial . Se requiere energía tanto para mover el fluido fuera de los valles y hacia arriba dentro de los picos, como para aumentar el área superficial del fluido. En resumen, la formación de las corrugaciones aumenta la energía libre superficial y la energía gravitacional del líquido, pero reduce la energía magnética. Las corrugaciones solo se formarán por encima de una intensidad de campo magnético crítica , cuando la reducción en la energía magnética supere el aumento en términos de energía superficial y gravitacional. [13]
Los ferrofluidos tienen una susceptibilidad magnética excepcionalmente alta y el campo magnético crítico para la aparición de corrugaciones se puede crear mediante una pequeña barra magnética.
Los tensioactivos jabonosos utilizados para recubrir las nanopartículas incluyen, entre otros:
Estos surfactantes evitan que las nanopartículas se aglomeren, por lo que no pueden desprenderse de la suspensión ni acumularse en una pila de polvo magnético cerca del imán. Las partículas magnéticas de un ferrofluido ideal nunca se sedimentan, incluso cuando se exponen a un campo magnético intenso. Un surfactante tiene una cabeza polar y una cola no polar (o viceversa), una de las cuales se adsorbe en una nanopartícula, mientras que la cola no polar (o cabeza polar) sobresale en el medio portador, formando una micela inversa o regular , respectivamente, alrededor de la partícula. La repulsión electrostática evita entonces la aglomeración de las partículas.
Si bien los surfactantes son útiles para prolongar la velocidad de sedimentación en los ferrofluidos, también obstaculizan las propiedades magnéticas del fluido (específicamente, la saturación magnética del fluido ). La adición de surfactantes (o cualquier otra partícula extraña) disminuye la densidad de empaquetamiento de las ferropartículas mientras están en su estado activado, disminuyendo así la viscosidad en estado activo del fluido , lo que da como resultado un fluido activado "más blando". Si bien la viscosidad en estado activo (la "dureza" del fluido activado) es una preocupación menor para algunas aplicaciones de ferrofluidos, es una propiedad primaria del fluido para la mayoría de sus aplicaciones comerciales e industriales y, por lo tanto, se debe alcanzar un compromiso al considerar la viscosidad en estado activo frente a la velocidad de sedimentación de un ferrofluido.
Los ferrofluidos se utilizan para formar sellos líquidos alrededor de los ejes de transmisión giratorios en los discos duros . El eje giratorio está rodeado de imanes. Una pequeña cantidad de ferrofluido, colocada en el espacio entre el imán y el eje, se mantendrá en su lugar por su atracción hacia el imán. El fluido de partículas magnéticas forma una barrera que evita que los residuos entren en el interior del disco duro. Según los ingenieros de Ferrotec, los sellos de ferrofluido en los ejes giratorios suelen soportar de 3 a 4 psi; [14] se pueden apilar sellos adicionales para formar conjuntos capaces de soportar presiones más altas.
Los ferrofluidos tienen propiedades que reducen la fricción . Si se aplican a la superficie de un imán lo suficientemente fuerte, como uno de neodimio , pueden hacer que el imán se deslice sobre superficies lisas con una resistencia mínima.
Los ferrofluidos se pueden utilizar para obtener imágenes de estructuras de dominio magnético en la superficie de materiales ferromagnéticos utilizando una técnica desarrollada por Francis Bitter . [15]
Desde 1973, los ferrofluidos se utilizan en altavoces para eliminar el calor de la bobina móvil y amortiguar pasivamente el movimiento del cono. Se encuentran en lo que normalmente sería el espacio de aire alrededor de la bobina móvil, sujetos en su lugar por el imán del altavoz. Dado que los ferrofluidos son paramagnéticos, obedecen la ley de Curie y, por lo tanto, se vuelven menos magnéticos a temperaturas más altas. Un imán fuerte colocado cerca de la bobina móvil (que produce calor) atraerá más al ferrofluido frío que al ferrofluido caliente, alejando así al ferrofluido calentado de la bobina móvil eléctrica y hacia un disipador de calor . Este es un método de enfriamiento relativamente eficiente que no requiere un aporte de energía adicional. [16]
Bob Berkowitz, de Acoustic Research, comenzó a estudiar el ferrofluido en 1972, utilizándolo para amortiguar la resonancia de un tweeter. Dana Hathaway, de Epicure, en Massachusetts, estaba utilizando ferrofluido para amortiguar el tweeter en 1974 y se dio cuenta del mecanismo de enfriamiento. Fred Becker y Lou Melillo, de Becker Electronics, también fueron de los primeros en adoptarlo en 1976; Melillo se unió a Ferrofluidics y publicó un artículo en 1980. [17] En el campo del sonido de conciertos, Showco comenzó a utilizar ferrofluido en 1979 para enfriar los woofers. [18] Panasonic fue el primer fabricante asiático en poner ferrofluido en altavoces comerciales, en 1979. El campo creció rápidamente a principios de los años 1980. Hoy en día, se producen unos 300 millones de transductores generadores de sonido por año con ferrofluido en su interior, incluidos altavoces instalados en ordenadores portátiles, teléfonos móviles, auriculares y cascos. [19]
Los ferrofluidos conjugados con anticuerpos o agentes de captura comunes como la estreptavidina (SA) o la Ig anti-ratón de rata (RAM) se utilizan en la separación inmunomagnética , un subconjunto de la clasificación celular . [20] Estos ferrofluidos conjugados se utilizan para unirse a las células objetivo y luego separarlas magnéticamente de una mezcla de células utilizando un separador magnético de bajo gradiente. Estos ferrofluidos tienen aplicaciones como la terapia celular , la terapia génica , la fabricación celular , entre otras.
Desde el punto de vista estético, los ferrofluidos se pueden utilizar para visualizar el sonido . Para ello, la gota de ferrofluido se suspende en un líquido transparente. Un electroimán actúa sobre la forma del ferrofluido en respuesta al volumen o la frecuencia de audio de la música, lo que le permite reaccionar selectivamente a los agudos o graves de una canción. [21] [22]
Se puede crear un dispositivo magneto-óptico y una lente dinámica para visualizar el flujo del campo magnético utilizando una película delgada superparamagnética encapsulada y sellada entre dos vidrios ópticos planos. La película delgada está hecha de un ferrofluido muy diluido, casi transparente, de varios micrones de espesor. La ferrolente tiene un conjunto de anillos de LED alrededor de su perímetro que la ilumina. Cuando se proyecta un campo magnético externo sobre la superficie de la película delgada, se produce un patrón de impresión de campo magnético de flujo 2D, similar al experimento clásico de Faraday con limaduras de hierro . Este patrón incluye información de profundidad de campo del campo externo que se muestra en el dispositivo de ferrolente, a pesar de que la película delgada tiene un espesor finito de solo varios micrones (es decir, de 10 a 20 μm). [23]
Se comercializaron varios ferrofluidos para su uso como agentes de contraste en imágenes por resonancia magnética , que dependen de la diferencia en los tiempos de relajación magnética de diferentes tejidos para proporcionar contraste. [24] [25] Se introdujeron varios agentes y luego se retiraron del mercado, incluidos Feridex IV (también conocido como Endorem y ferumóxidos), descontinuado en 2008; [26] resovist (también conocido como Cliavist), de 2001 a 2009; [27] Sinerem (también conocido como Combidex), retirado en 2007; [28] Lumirem (también conocido como Gastromark), de 1996 [29] a 2012; [30] [31] Clariscan (también conocido como PEG-fero, Feruglose y NC100150), cuyo desarrollo se interrumpió debido a problemas de seguridad. [32]
Los ferrofluidos pueden autoensamblarse con puntas afiladas en forma de agujas de escala nanométrica bajo la influencia de un campo magnético. Cuando alcanzan un espesor crítico, las agujas comienzan a emitir chorros que podrían usarse en el futuro como mecanismo de propulsión para propulsar satélites pequeños como los CubeSats . [33]
Los ferrofluidos tienen numerosas aplicaciones ópticas debido a sus propiedades refractivas , es decir, cada grano, un microimán , refleja la luz. Estas aplicaciones incluyen la medición de la viscosidad específica de un líquido colocado entre un polarizador y un analizador , iluminado por un láser de helio-neón . [34]
Se han propuesto los ferrofluidos para la focalización magnética de fármacos. En este proceso, los fármacos se unirían o quedarían encerrados en un ferrofluido y podrían ser dirigidos y liberados selectivamente utilizando campos magnéticos. [35]
También se ha propuesto la hipertermia magnética dirigida para convertir la energía electromagnética en calor. [36]
También se ha propuesto, en forma de nanocirugía, separar un tejido de otro (por ejemplo, un tumor del tejido en el que ha crecido). [24]
Un campo magnético externo impuesto a un ferrofluido con susceptibilidad variable (por ejemplo, debido a un gradiente de temperatura) da como resultado una fuerza magnética no uniforme, que conduce a una forma de transferencia de calor llamada convección termomagnética . Esta forma de transferencia de calor puede ser útil cuando la transferencia de calor por convección convencional es inadecuada; por ejemplo, en dispositivos en miniatura a microescala o en condiciones de gravedad reducida .
Los ferrofluidos de composición adecuada pueden exhibir una mejora extremadamente grande en la conductividad térmica (k; ~300% de la conductividad térmica del fluido base). La gran mejora en k se debe al transporte eficiente de calor a través de caminos de nanopartículas percoladoras. Los nanofluidos magnéticos especiales con una relación conductividad térmica a viscosidad ajustable se pueden utilizar como "materiales inteligentes" multifuncionales que pueden eliminar el calor y también detener las vibraciones (amortiguador). Dichos fluidos pueden encontrar aplicaciones en dispositivos microfluídicos y sistemas microelectromecánicos ( MEMS ). [37]
Se están realizando investigaciones para crear un espejo magnético de forma cambiante con óptica adaptativa a partir de ferrofluido para telescopios astronómicos terrestres . [38]
Los filtros ópticos se utilizan para seleccionar diferentes longitudes de onda de la luz. El reemplazo de los filtros es complicado, especialmente cuando la longitud de onda se cambia continuamente con láseres de tipo ajustable. Se pueden construir filtros ópticos ajustables para diferentes longitudes de onda mediante la variación del campo magnético utilizando emulsión de ferrofluido. [39]
Los ferrofluidos permiten la recolección de energía de vibración del entorno. Los métodos existentes para recolectar vibraciones de baja frecuencia (<100 Hz) requieren el uso de estructuras resonantes sólidas. Con los ferrofluidos, los diseños de recolectores de energía ya no necesitan una estructura sólida. Un ejemplo de recolección de energía basada en ferrofluidos es colocar el ferrofluido dentro de un contenedor para usar vibraciones mecánicas externas para generar electricidad dentro de una bobina envuelta alrededor del contenedor rodeada por un imán permanente. [40] Primero, se coloca un ferrofluido dentro de un contenedor que está envuelto con una bobina de alambre. Luego, el ferrofluido se magnetiza externamente utilizando un imán permanente. Cuando las vibraciones externas hacen que el ferrofluido se agite en el contenedor, hay un cambio en los campos de flujo magnético con respecto a la bobina de alambre. A través de la ley de inducción electromagnética de Faraday , se induce voltaje en la bobina de alambre debido al cambio en el flujo magnético. [40]
