El ferrofluido es un líquido que es atraído por los polos de un imán . Es un líquido coloidal hecho de partículas ferromagnéticas o ferrimagnéticas a nanoescala suspendidas en un fluido portador (generalmente un solvente orgánico o agua). [1] Cada partícula magnética está completamente recubierta con un tensioactivo para inhibir la formación de grumos. Las partículas ferromagnéticas grandes pueden arrancarse de la mezcla coloidal homogénea, formando una masa separada de polvo magnético cuando se exponen a fuertes campos magnéticos. La atracción magnética de las nanopartículas diminutas es lo suficientemente débil como para que la fuerza de Van der Waals del tensioactivo sea suficiente para evitar la agrupación o aglomeración magnética . Los ferrofluidos generalmente no retienen la magnetización en ausencia de un campo aplicado externamente y, por lo tanto, a menudo se clasifican como " superparamagnetos " 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 de escala micrométrica. Las partículas de un ferrofluido están suspendidas por el movimiento browniano y generalmente no se sedimentan en condiciones normales, mientras que las partículas de un fluido MR son demasiado pesadas para quedar 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 producir un ferrofluido para crear combustible líquido para cohetes que pudiera ser atraído hacia una bomba de combustible en un entorno ingrávido mediante la aplicación de un campo magnético. [3] Se introdujo el nombre ferrofluido, se mejoró el proceso, se sintetizaron líquidos más magnéticos, se descubrieron líquidos portadores adicionales y la química física fue aclarada por RE Rosensweig y sus colegas. Además, Rosensweig desarrolló una nueva rama de la mecánica de fluidos denominada ferrohidrodinámica que provocó más investigaciones teóricas sobre fenómenos físicos intrigantes en los ferrofluidos. [4] [5] [6] [7] En 2019, investigadores de la Universidad de Massachusetts y la Universidad de Tecnología Química de Beijing lograron crear un ferrofluido magnético permanente 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 la forma cambiaba físicamente o se dividía. [8]
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Los ferrofluidos están compuestos de partículas muy pequeñas a nanoescala (de diámetro normalmente 10 nanómetros o menos) de magnetita , hematita o algún otro compuesto que contenga hierro , y un líquido (normalmente aceite ). Esto 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 acuosa de sal paramagnética (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 aproximadamente un 5% de sólidos magnéticos, un 10% de tensioactivo y un 85% de vehículo, en volumen. [9]
Las partículas de los ferrofluidos se dispersan en un líquido, a menudo utilizando un tensioactivo , y, por 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 puede abrir más 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 tensioactivo tiende a descomponerse con el tiempo (unos pocos años) y, finalmente, las nanopartículas se aglomeran, se separan y ya no contribuyen 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 a 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 fuerte campo magnético vertical , la superficie forma un patrón regular de picos y valles. Este efecto se conoce como Rosensweig o inestabilidad de campo normal . 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 viajan por las líneas de campo hacia el espacio hasta que hay un equilibrio de las fuerzas involucradas. [12]
Al mismo tiempo, la gravedad y la tensión superficial resisten la formación de picos y valles . Se requiere energía tanto para sacar el fluido de los valles hacia las puntas como para aumentar la superficie del fluido. En resumen, la formación de 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 de 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 las ondulaciones se puede generar mediante una pequeña barra magnética.
Los tensioactivos jabonosos utilizados para recubrir las nanopartículas incluyen, entre otros:
Estos tensioactivos evitan que las nanopartículas se aglutinen, por lo que las partículas no pueden caer de la suspensión ni acumularse en una pila de polvo magnético cerca del imán. Las partículas magnéticas de un ferrofluido ideal nunca se sedimentan, ni siquiera cuando se exponen a un fuerte campo magnético. 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 del medio portador, formando una micela inversa o regular . respectivamente, alrededor de la partícula. La repulsión electrostática impide entonces la aglomeración de las partículas.
Si bien los tensioactivos son útiles para prolongar la velocidad de sedimentación en los ferrofluidos, también dificultan las propiedades magnéticas del fluido (específicamente, la saturación magnética del fluido ). La adición de tensioactivos (o cualquier otra partícula extraña) disminuye la densidad de empaquetamiento de las ferropartículas mientras están en su estado activado, disminuyendo así la viscosidad del fluido en estado activo , lo que da como resultado un fluido activado "más suave". Si bien la viscosidad en estado (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 llegar a un compromiso al considerar Viscosidad en estado versus la velocidad de sedimentación de un ferrofluido.
Los ferrofluidos se utilizan para formar sellos líquidos alrededor de los ejes de transmisión giratorios de 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 entren residuos al interior del disco duro. Según los ingenieros de Ferrotec, los sellos de ferrofluido en ejes giratorios suelen soportar de 3 a 4 psi; [ cita necesaria ] Se pueden apilar sellos adicionales para formar conjuntos capaces de soportar presiones más altas.
Los ferrofluidos tienen capacidades para reducir la fricción . Si se aplica a la superficie de un imán lo suficientemente fuerte, como uno de neodimio , puede hacer que el imán se deslice sobre superficies lisas con una resistencia mínima.
Los ferrofluidos también se pueden utilizar en amortiguadores semiactivos en aplicaciones mecánicas y aeroespaciales. Mientras que los amortiguadores pasivos son generalmente más voluminosos y están diseñados para una fuente de vibración particular, los amortiguadores activos consumen más energía. Los amortiguadores basados en ferrofluidos resuelven ambos problemas y se están volviendo populares en la comunidad de helicópteros, que tiene que lidiar con grandes vibraciones inerciales y aerodinámicas.
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 . [14]
A partir de 1973, se han utilizado ferrofluidos en altavoces para eliminar el calor de la bobina móvil y amortiguar pasivamente el movimiento del cono. Residen en lo que normalmente sería el espacio de aire alrededor de la bobina móvil, mantenido en su lugar por el imán del altavoz. Como los ferrofluidos son paramagnéticos, obedecen la ley de Curie y, por tanto, se vuelven menos magnéticos a temperaturas más altas. Un imán fuerte colocado cerca de la bobina móvil (que produce calor) atraerá el ferrofluido frío más que el ferrofluido caliente, empujando así el ferrofluido calentado lejos de la bobina móvil eléctrica y hacia un disipador de calor . Se trata de un método de refrigeración relativamente eficiente que no requiere ningún aporte de energía adicional. [15]
Bob Berkowitz de Acoustic Research comenzó a estudiar el ferrofluido en 1972, usándolo para amortiguar la resonancia de un tweeter. Dana Hathaway de Epicure en Massachusetts estaba usando ferrofluido para amortiguar el tweeter en 1974 y notó el mecanismo de enfriamiento. Fred Becker y Lou Melillo de Becker Electronics también fueron los primeros en adoptarlo en 1976, y Melillo se unió a Ferrofluidics y publicó un artículo en 1980. [16] En sonido de concierto, Showco comenzó a utilizar ferrofluido en 1979 para enfriar los woofers. [17] Panasonic fue el primer fabricante asiático en introducir 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 al año con ferrofluido en su interior, incluidos parlantes instalados en computadoras portátiles, teléfonos celulares, audífonos y audífonos. [18]
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 . [19] 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 terapia celular , terapia génica , fabricación celular , entre otras.
Desde el punto de vista estético, se pueden mostrar ferrofluidos 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. [20] [21]
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. [22] [23] Se introdujeron y luego se retiraron del mercado varios agentes, incluido Feridex IV (también conocido como Endorem y ferumóxidos), descontinuado en 2008; [24] resovista (también conocido como Cliavista), 2001 a 2009; [25] Sinerem (también conocido como Combidex), retirado en 2007; [26] Lumirem (también conocido como Gastromark), 1996 [27] a 2012; [28] [29] Clariscan (también conocido como PEG-fero, Feruglose y NC100150), cuyo desarrollo se interrumpió debido a problemas de seguridad. [30]
Se pueden fabricar ferrofluidos para autoensamblar puntas afiladas en forma de agujas a escala nanométrica bajo la influencia de un campo magnético. Cuando alcanzan una delgadez crítica, las agujas comienzan a emitir chorros que podrían usarse en el futuro como mecanismo propulsor para impulsar pequeños satélites como los CubeSats . [31]
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 . [32]
Se han propuesto ferrofluidos para la focalización magnética de fármacos. En este proceso, los medicamentos se unirían o se encerrarían dentro de un ferrofluido y podrían dirigirse y liberarse selectivamente mediante campos magnéticos. [33]
También se ha propuesto que la hipertermia magnética dirigida convierta la energía electromagnética en calor. [34]
También se ha propuesto, en forma de nanocirugía, separar un tejido de otro (por ejemplo, un tumor del tejido en el que ha crecido). [22]
Un campo magnético externo impuesto sobre un ferrofluido con susceptibilidad variable (por ejemplo, debido a un gradiente de temperatura) da como resultado una fuerza corporal magnética no uniforme, lo que conduce a una forma de transferencia de calor llamada convección termomagnética . Esta forma de transferencia de calor puede resultar útil cuando la transferencia de calor por convección convencional es inadecuada; por ejemplo, en dispositivos de microescala en miniatura o en condiciones de gravedad reducida .
Los ferrofluidos de composición adecuada pueden presentar 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 rutas de percolación de nanopartículas. Se pueden utilizar nanofluidos magnéticos especiales con una relación ajustable entre conductividad térmica y viscosidad 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 ). [35]
Se están realizando investigaciones para crear un espejo magnético de óptica adaptativa que cambia de forma a partir de ferrofluido para telescopios astronómicos terrestres . [36]
Los filtros ópticos se utilizan para seleccionar diferentes longitudes de onda de luz. La sustitución de filtros es engorrosa, especialmente cuando la longitud de onda se cambia continuamente con láseres de tipo sintonizable. Se pueden construir filtros ópticos sintonizables para diferentes longitudes de onda variando el campo magnético utilizando una emulsión de ferrofluido. [37]
Los ferrofluidos permiten recolectar energía vibratoria del medio ambiente. Los métodos existentes para captar 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 ferrofluido es colocar el ferrofluido dentro de un recipiente para utilizar vibraciones mecánicas externas para generar electricidad dentro de una bobina enrollada alrededor del recipiente rodeada por un imán permanente. [38] Primero se coloca un ferrofluido dentro de un recipiente que está envuelto con una bobina de alambre. Luego, el ferrofluido se magnetiza externamente mediante un imán permanente. Cuando las vibraciones externas hacen que el ferrofluido chapotee en el recipiente, se produce 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. [38]
