Viskosität und Diffusion in Ferrofluiden

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Datum
2004
Autor:innen
Bregenzer, Sarah
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Viscosity and diffusion in ferrofluids
Forschungsvorhaben
Organisationseinheiten
Zeitschriftenheft
Publikationstyp
Masterarbeit/Diplomarbeit
Publikationsstatus
Published
Erschienen in
Zusammenfassung

Ferrofluide sind magnetische Flüssigkeiten, deren Eigenschaften durch Magnetfelder moderater Stärke entscheidend verändert werden können. Solche Flüssigkeiten bestehen aus kolloidal suspendierten Teilchen ferromagnetischer Substanzen, deren Durchmesser ca. 10nm beträgt, in einer Trägerflüssigkeit.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die magnetorheologischen Eigenschaften von Ferrofluiden an einem statischen System untersucht. Das Experiment basiert auf der Idee, kolloidale Partikel als Tracer-Teilchen in einem Ferrofluid zu dispergieren und aus ihrer Diffusionsbewegung Rückschlüsse auf das magnetoviskose Verhalten der Flüssigkeit zu ziehen.
Mit Hilfe videomikroskopischer Untersuchungen an einem statischen zweidimensionalen Ferrofuid-Kolloid-System konnten quantitative Ergebnisse über die Selbstdiffusion kolloidaler Partikel in Ferrofluiden unter Anwesenheit eines homogenen Magnetfeldes erzielt werden. Aus den Messungen ergaben sich folgende Resultate: Sowohl die Kurz- als auch die
Langzeitdiffusionskonstante steigt für kleine Magnetfelder an, bevor ihre Werte für höhere Feldstärken abfallen. Dieser Anstieg kommt möglicherweise durch die bei stärkeren Magnetfeldern auftretenden repulsiven Kräfte zu Stande, auf Grund derer sich die Kolloide vom Deckglas bzw. Zellenboden entfernen. Der Abfall der Diffusionskonstanten bei noch größeren Magnetfeldern kann durch die einsetzende Strukturbildung der Magnetit-Partikel im
Ferrofluid erklärt werden. Des Weiteren verdeutlichen die Messergebnisse, dass die hydrodynamische Wechselwirkung zwischen den Partikeln bei den betrachteten Partikelkonzentrationen keinen erkennbaren Einfluss auf die Diffusionsbewegung der Kolloide besitzt. Außerdem wurde zur quantitativen Untersuchung der oben beschriebenen Oberflächenrepulsion das Verhalten der Ferrofluid-Kolloid-Suspension unter Anwesenheit eines Magnetfelds mit einem Laser-Scanning-Konfokalmikroskop beobachtet. Dabei konnten die fluoreszenten Kolloide durch eine 15 mm dicke, stark absorbierende Ferrofluidschicht beobachtet werden. Zur Berechnung der Viskosität des Ferrofluids aus der
Diffusionsbewegung der Tracer-Teilchen benötigt man den Abstand
zum Deckglas bzw. Zellenboden, der durch die oben erwähnte Oberflächenrepulsion
in einem Magnetfeld zu Stande kommt. Einige Modifikationen des
Versuchsaufbaus am Konfokalmikroskop könnten die Bestimmung dieses
Parameters ermöglichen.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Ferrofluids are magnetic liquids consisting of nanometer sized magnetite particles diluted in a carrier liquid which is usually water or oil. Their properties can be strongly influenced by magnetic fields of moderate strength due to the interaction of the magnetite particles with the magnetic field. The development of such fluids has resulted in the establishment of a new field of research, called Ferrohydrodynamics, which has numerous applications in engineering and medical science. To investigate the ferrofluid s magnetorheologic attributes we used diamagnetic
colloids as tracer particles. Through this we could gather information on the viscosity of the ferrofluid out of the colloids diffusive movement.

By using video microscopy on a two dimensional ferrofluid colloid system we could achieve quantitative results on the self diffusion coefficient of the colloids, depending on a homogenous magnetic field perpendicular to the two dimensional system. Whilst researching two different ferrofluids manufactured by the company Ferrotec in three different measurements we found the following outcomes: Both the short and the long term diffusion coefficient increased for lower values of the magnetic field before they decreased for higher values of the field. This rise could result from the repulsive interaction between the coverslip and the colloids that occurs in higher magnetic fields. The repulsive force detached the colloids from the coverslip. Consequently their friction was reduced and their diffusion coefficient increased. The decay of the diffusion coefficient in higher magnetic fields can be seen in the formation of structures of the magnetite particles in the ferrofluid. Furthermore, we have analyzed the above mentioned movement of the colloids away from the coverslip in higher magnetic fields using a laser scanning confocal microscope. In doing so we could observe the fluorescent colloids up to a depth of 15mm in the ferrofluid. To calculate the viscosity of the ferrofluid, the distance of the colloids to the sample cell s glass surface is required since the glass surface affects the diffusion movement of the particles. This distance is most likely achievable with measurements using the laser scanning confocal microscope after some changes at the experimental setup. We have already started those experiments.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
Ferrofluid, Tracer-Teilchen, Ferrohydrodynamik, Kolloid, ferrofluid, diffusion, viscosity, colloid, Ferrohydrodynamics
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690BREGENZER, Sarah, 2004. Viskosität und Diffusion in Ferrofluiden [Master thesis]
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