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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-6315
URL: http://scidok.sulb.uni-saarland.de/volltexte/2006/631/


Nanostab-Ferrofluide

Nanorod-ferrofluids

Lang, Christian

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SWD-Schlagwörter: Magnetische Flüssigkeit , Nanotechnologie , Nanopartikel , Nanostrukturiertes Material , Superparamagnetismus , Magnetische Anisotropie
Freie Schlagwörter (Deutsch): Magnetoviskoser Effekt
Freie Schlagwörter (Englisch): magnetoviscous effect , ferrofluids , rodlike magnetic particles , nanotechnology
PACS - Klassifikation: 75.50.Mm M
Institut: Fachrichtung 7.3 - Technische Physik
Fakultät: Fakultät 7 - Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät II
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Birringer, Rainer (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 20.02.2006
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 07.09.2006
Kurzfassung auf Deutsch: Seit der ersten Herstellung von Ferrofluiden Mitte der Sechziger Jahre wird auf experimenteller und theoretischer Ebene intensiv am Verständnis des Verhaltens der Ferrofluide gearbeitet. Der Untersuchung des wechselseitigen Einflusses der magnetischen und rheologischen Eigenschaften (Magnetoviskoser Effekt) der Ferrofluide gilt hierbei besonderes Interesse, stellt dieser Effekt doch die Grundlage für das einzigartige Verhalten der Ferrofluide dar.
Über diesen Zusammenhang wurde 1969 erstmals von R. E. Rosensweig berichtet: Wird ein Ferrofluid von einem konstanten Magnetfeld durchsetzt, so steigt dessen Viskosität mit zunehmender Feldstärke. Schert man ein feldfreies Ferrofluid, so ist die Bewegung der Partikel mit der Vortizität der Strömung verknüpft, diese führt zu einer Rotation der Partikel. Wird nun ein konstantes Magnetfeld überlagert, so findet abhängig vom Winkel zwischen Feld und der Vortizität der Strömung eine Konkurrenz der auf die Partikel wirkenden magnetischen und viskosen Drehmomente statt. Das Drehmoment, welches versucht die Partikel in Feldrichtung zu orientieren, verlangsamt die Rotation im Fluid und stellt makroskopisch eine Viskositätserhöhung dar. Eine erste theoretische Beschreibung wurde 1972 von Shliomis formuliert und berücksichtigt neben den magnetischen und mechanischen Drehmomenten auch die Brownschen Bewegung der magnetischen Partikel im Fluid.
Beschreiben die ersten Arbeiten Ferrofluide als Ensemble nicht wechselwirkender, monodisperser Partikel so zeigten Messungen an konzentrierten Fluiden die Notwendigkeit des Einbezugs von Polydispersität und der Wechselwirkungen zwischen den magnetischen Partikeln. Aufgrund der Polydispersität der Partikelgrößen finden sich in den Fluiden Partikel mit mehr als dem zweifachen des Durchschnittsvolumens. Trotz ihrer geringen Konzentration hat diese Fraktion entscheidenden Einfluss auf das magnetoviskose Verhalten des Fluides. Aufgrund der langen Reichweite und der starken Größenabhängigkeit der magnetisch dipolaren Wechselwirkung bilden diese Partikel dynamische, kettenförmige Agglomerate, welche auch ohne Anwesenheit eines externen Magnetfeldes vorliegen. Diese dynamischen Ketten mit großem Aspektverhältnis (Verhältnis Länge:Durchmesser) dominieren das magnetoviskose Verhalten der Fluide. Vergleichbar einem Paddel findet bei Rotation in einem angelegten Feld ein, gegenüber einer Kugel, stark erhöhter Kraftübertrag auf das Fluid statt. Der damit verbundene Magnetoviskose Effekt übertrifft denjenigen vergleichbarer sphärischer Partikel um 2-3 Größenordnungen. Diese enorme Steigerung ist jedoch beschränkt auf den Bereich sehr kleiner Scherraten, denn die Scherung der Flüssigkeit führt zu einem Zerbrechen der kettenförmigen Agglomerate.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Synthese stabiler magnetische Partikelketten mit feld- und scherratenunabhängigem Aspektverhältnis. Damit kann mittels kleiner Magnetfelder (ca. 10mT) eine variable Viskositätsänderung von mehreren Größenordnungen induziert werden. Dieser Effekt ist dann auch im technologisch interessanten Bereich großer Scherraten erreichbar.
Erreicht wurde diese festen, stangenförmigen Partikel mittels einer Aerosolsynthese im Verlaufe derer elementares Eisen verdampft, und zu Nanopartikeln kondensiert wurde. Diese Partikel wurden im Aerosol zu stabilen Ketten versintert (Nanostäbe) und mit Hilfe einer Ölsäurehülle vor weiterer Agglomeration geschützt.
Ziel dieser Arbeit ist es, neben der Etablierung der Präparation, insbesondere die magnetischen und magnetoviskosen Eigenschaften solcher Nanostab-Ferrofluide zu erforschen.
Kurzfassung auf Englisch: Since the first preparation of ferrofluids in the mids of the 60s the understanding of their behavior is a matter of both theoretical and experimental research. Especially the interaction of rheological and magnetic properties (known as the magnetoviscous effect) is a main concern for being the source of the unique behavior of ferrofluids.
First published in 1969 by R. E. Rosensweig this effect describes the rise of the viscosity of an ferrofluid situated in a homogeneous magnetic field. Shearing of an ferrofluid leads to the rotation of the magnetic particles because of the coupling between their movements and the vorticity of the fluid. Superposition of a magnetic field causes a rivalry between the magnetic and the viscous torques. The magnetic torque tries to align the particles magnetic momentum in the direction of the field thus hindering their free rotation with the field therefore causing a rise of the viscosity of the fluid. Shliomis found a first theoretical description by taking account of both torques as well as the Brownian movement of the magnetic particles amongst the molecules of the fluid.
Starting by considering ferrofluids as ensembles of non-interacting, identical particles later works included the influence of interactions between the now polydisperse particles being distributed over a range of different sizes.Despite their small volume fraction particles more than twice as large as the mean particle size dominate the magnetoviscous behavior due to the formation of dynamical chainlike structures. Long-range dipolar forces create linear dynamic aggregates of these hardmagnetic particles even in zero field. Like a paddle their rotation in the direction of the outer field can transfer much bigger forces than equally sized spherical particles therefore causing a strongly enhanced magnetoviscous effect. Changes in the viscosity 2-3 decades larger than expected for spherical particles. But tragically, this effect is limited to the range of very small shear rates because by rising the shear rate the fragile chains vanish and also the strong magnetoviscous effect.
The goal of this work is therefore the creation of stable rodlike magnetic particles their size being independent of field strength and shear rate. With them it would be possible to achieve this huge effect with small magnetic fields (some 10mT) and for technological relevant shear rates.
We succeeded in creating this particles by an aerosol process during which iron is evaporated and condensed to small nanometer sized particles. Insitu sintering of chainlike aggregates led to stable rodlike particles (nanorods) which withstand further agglomeration after covering them with a layer of oleic acid.
Beside the establishment of the preparation we focused on the on the magnetic and the magnetoviscous properties of these nanorod-ferrofluids.

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