Folyékony mágnes

Az utóbbi évek egyik slágere a nanotechnológia, ami számos problémára ígér megoldást új, különleges anyagok használatával. Ezek leglátványosabbjai közül való a ferrofluid, ami egy mágneses tulajdonságokat mutató folyadék. Bár a NASA-nál fejlesztették ki, akár az iskolai kémiaszertárban vagy otthon is elkészíthető.

A nanométer a méter egymilliárdod része. Összehasonlításul: egy emberi hajszál durván 80 000 nm vastag, egy vörösvérsejt átmérője úgy 7 000 nm körül van, a mikroprocesszorok szerkezeti részei 100 nm körüliek, a DNS-szál vastagsága 2 nm, az atomok mérete pedig 0,1 nm nagyságrendű. Nanotechnológiának szokás nevezni minden technológiát, ami nagyjából az 1–100 nm mérettartományba eső szerkezetekkel foglalkozik. E multidiszciplináris területen számos tudományág – például molekuláris és sejtbiológia, kolloidkémia, félvezető-fizika – szakemberei működnek együtt az új anyagok és technológiai megoldások fejlesztésében.

Persze ha alaposabban körülnézünk, akkor rá kell eszmélnünk, hogy a nanotechnológia legnagyobb mestere az élő természet. Például a legyek és a pókok vígan szaladgálnak a plafonon, sőt nagyobb állatok, mint a Földközi-tenger partvidékén gyakori fali gekkók is képesek erre a mutatványra. Amikor szükséges, lábuk jól tapad a felülethez, amikor meg lépni akarnak, könnyen leválik. A trükk az, hogy talpuk nanoméretű szőröcskéi van der Waals-kötésekkel hozzá tudnak tapadni lényegében bármilyen anyaghoz, talán csak a teflon kivétel. A tisztaság szimbólumaként ismert lótusz vagy a nálunk is gyakori kerti sarkantyúka levele azért marad tiszta, mert a felületén lévő nanoszerkezet lepergeti a vizet és a szennyeződéseket. Ezt a megoldást ma már kültéri falfestékeknél, szaniter kerámiáknál és autózománcoknál is használják. Most egy másik, rendkívül látványos nanoanyagot, a ferrofluidot vesszük szemügyre. Ezt sokféle célra használják, például merevlemezek csapágyainál folyékony tömítésként, nagy teljesítményű hangszórók hűtésénél hővezetőként, az orvoslásban pedig az MRI vizsgálatokhoz kontrasztanyagként.

Magnetitszuszpenzió hét lépésben

A ferrofluidok (más néven folyékony mágnesek vagy mágneses nanofluidok) nanoméretű, 2–15 nm-es ferromágneses részecskéket tartalmaznak folyadékban egyenletesen eloszlatva. Ez egy olyan kolloid rendszer, ami ferromágneses tulajdonságokat mutat. A szemcsék anyaga lehet például az Fe3O4, γ-Fe2O3, CoFe2O4, Co, Fe vagy FeC, amit vákuumban történő porlasztással, kondenzációval vagy kémiai úton, csapadékképződéssel járó reakciók segítségével lehet előállítani. A tipikus ferrofluidok térfogatának nagyjából 5%-át adják ezek a szilárd ferromágneses szemcsék. Az anyag 85%-a a hordozófolyadék, amit a ferrofluid alkalmazása szerint választanak ki, ez lehet poláros (például víz) vagy apoláros (olaj, olajsav, kerozin, petróleum stb.). A kolloid rendszer stabilitásához egy harmadik komponensre, egy emulgeátorra is szükség van. Ez általában valamilyen felületaktív anyag, ami a kész ferrofluid körülbelül 10%-át teszi ki. Nélküle a szemcsék összecsomósodnának vagy a folyadék aljára ülepednének.

Az első ferrofluid a NASA-nál készölt Solomon Stephen Papell által, 1963-ban. Ez az anyag magnetit- (Fe3O4) szemcsék kerozinos diszperziója volt, ami felületaktív anyagként olajsavat tartalmazott. A kolloid magnetitet vas(II)- és vas(III)-klorid, valamint ammónium-hidroxid reakciójából lehet előállítani, de csak szabadban vagy fülke alatt, mert közben ammónia szabadul fel. A recept nem túl bonyolult, kiindulásként használhatunk a nyomtatott áramkörű lemezek maratásához való 1,5 mólos vas(III)-klorid-oldatot. Ha szilárd vas(III)-kloriddal dolgozunk, akkor 27 grammot oldjunk fel körülbelül fél deciliternyi desztillált vízben, majd amikor feloldódott, adjunk hozzá még annyi vizet, hogy 1 dl legyen.

  1. Öntsünk 10 ml vas(III)-klorid-oldatot és 10 ml desztillált vizet egy üvegpohárba, és tegyünk egy darab acélgyapotot az oldatba. Addig keverjük az oldatot, amíg színváltozást nem tapasztalunk. Az élénkzöld színt a keletkező vas(II)-klorid okozza.
  2. Szűrjük le az így nyert oldatot szűrőpapíron vagy kávészűrőn. A szűrletet a papírral együtt kidobhatjuk, az oldatot használjuk tovább.
  3. Adjunk 20 ml vas(III)-klorid-oldatot a zöld színű folyadékhoz. Amennyiben előre elkészített vas(II)-klorid- és vas(III)-klorid-oldatokat használunk, úgy számoljunk, hogy az FeCl3 és FeCl2 2:1 arányban reagál egymással.
  4. Tegyünk egy nagyobb lombikba (hőálló üvegpohárba) 150 ml 5%-os ammónium-hidroxid-oldatot, vagyis háztartási szalmiákszeszt, és adjuk hozzá a vas-kloridos oldatot. A folyamatos kevergetés közben lejátszódó reakció során ammónia szabadul fel, és fekete csapadék, kolloid magnetit válik ki. Ez az a reakciótermék, amire szükségünk lesz!
  5. Fülke alatt melegítsük az oldatot forrásig, és adjunk hozzá 5 ml olajsavat. Forraljuk addig, amíg a felesleges ammónia eltávozik. Eközben az ammónia és az olajsav reakciójából ammónium-oleát keletkezik, ami a kozmetikai iparban elterjedt emulgeálószer. Ez bevonja a magnetitszemcséket, és megakadályozza, hogy összetapadjanak.
  6. Miután az ammónia eltávozott, hagyjuk kihűlni a maradékot. Teljesen hideg állapotában töltsünk hozzá 100 ml kerozint (festékboltban kapható szagtalan petróleumot), és keverjük addig, amíg egyenletes fekete színű szuszpenziót kapunk. A kerozin jól oldja az olajsavat és az oleátburokkal bevont magnetitrészecskéket is, a vízzel viszont nem elegyedik. A két anyag különválik, a kerozinos szuszpenzió felül, a maradék vizes oldat pedig alul gyűlik össze.
  7. Nincs más dolgunk, mint a felül úszó szuszpenziót dekantálással elválasztani (magyarul leönteni, csak így tudományosabban hangzik).

Mágneslé Náncsi néni módra

Kevésbé veszélyes módon otthon a konyhaasztalon is lehet ferrofluidot készíteni egyszerű eszközökkel. Az eredmény nem lesz olyan jó minőségű, mint a laboratóriumi eljárásnál, de azért működik. Az egyik lehetőség, hogy lézernyomtatókhoz való festékport elkeverünk néhány csepp mosogatószerrel és étolajjal. Nem minden lézernyomtatóhoz való festék mágneses. Egy erős neodímium mágnessel ki kell próbálni, hogy vonzza-e a tonert.

Demonstrációs célra alkalmas, ferrofluidszerűen viselkedő anyagot kapunk úgy is, ha fogunk egy darab súrolásra való, finom szálú acélgyapotot, egy hőálló kerámiatálba rakjuk, és égetéssel részlegesen oxidáljuk. Úgy lehet a legkönnyebben meggyújtani az acélgyapotot, ha egy laposelem két pólusát a szálak közé nyomjuk. Az áram hatására felizzó rostok elég forrók lesznek ahhoz, hogy a matéria parázslani kezdjen, és lassan végigégjen. Az oxidáció felületes és részleges lesz. A keletkező finom vas-oxidot úgy nyerjük ki, hogy a kihűlt acélgyapot csomóról sajtreszelővel egy tálba reszeljük. Nem az acélt kell elreszelni, csak a felületén lévő oxidot lekaparni. Ezután az előbbiek szerint kevés étolajat és pár csepp mosogatószert adunk hozzá, és szuszpendáljuk.

A mágneses részecskéket elvben régi magnószalagokról is le lehet oldani aceton vagy metil-etil-keton segítségével, de ezt az eljárást nem próbáltam. A VHS-kazettákon és a flopilemezeken a jelhordozó réteg nem vas-oxid, hanem króm-dioxid és más fém-oxidok keveréke. A króm-dioxid nem olyan veszélyes méreg, mint a króm-trioxid, de ezek az anyagok másként viselkednek, mint a magnetit. Valószínűleg jobb eredményt lehet elérni a régi, vöröses színű vas-oxidos szalagokkal.

Játsszunk süniset!

Az ipar mellett a művészek figyelmét is felkeltette a ferrofluid. Sokakat elbűvölnek a pazar formák, amiket ez a folyadék létre tud hozni, ha pedig változó mágneses tér hatásának tesszük ki, ezek a fura, ágas-bogas alakzatok mozgásba jönnek. Említeni érdemes Sachiko Kodama szobrait, amelyeket a művésznő honlapján is megcsodálhatunk (http://sachikokodama.com). Sachiko zseniálisan bánik ezzel az anyaggal, persze könnyebb dolga van, mint másoknak, hiszen ő fizikusként végzett a Hokkaido University természettudományi karán. Szerényebb alakzatokat mi magunk is előállíthatunk, ha a ferrofluidunkhoz egy mágnessel közelítünk. A folyadék ilyenkor a mágneses erővonalak mentén rendeződik, és jellegzetes tüskéket növeszt. A kis szörnyeteg követi a mágnes mozgását, szalad az edényben ide-oda. Ha meglökjük egy pálcikával, akkor meg vad táncba vagy forgásba kezd.

A ferrofluid nem különösebben veszélyes. A gyártáskor felszabaduló ammóniával kell vigyázni, meg persze a kerozin lenyelve, belélegezve ártalmas. A kész szuszpenzió nyálkás, csúszós, de üvegedényekről mosogatószerrel könnyen lemosható. A textíliákból viszont nem jön ki semmivel, világos ruhákon maradandó fol tot hagy. Ha nem muszáj, ne nyúlkáljunk bele, és a mágneseket se mártsuk bele, mert nagyon nehéz letakarítani róluk. Az edény falán keresztül viszont szépen lehet izgatni szörnyecskénket. A leglátványosabb hatást erős neodímium vagy szamárium mágnesekkel lehet elérni. Ha nem zárt edényben játszunk vele, viseljünk védőszemüveget!

 

 

 

További érdekességekért keresse az Amatőr Tudomány kiadványt a laptapir.hu-n!