Fremstilling af ferrofluids Eksperiment 1: Fremstilling af ferrofluids - Elevvejledning Formål I dette eksperiment skal du fremstille nanopartikler af magnetit og bruge dem til at lave en magnetisk væske, et såkaldt ferrofluid. Apparatur og kemikalier 150 ml glas Pipette Stangmagneter af forskellig styrke En kraftig magnet Vejeskål Mønter af forskellig vægt 1M FeCl 3 opløsning 2M FeCl 2 opløsning 0,5 M ammoniumhydroxid-opløsning (NH 4 OH) 25% tetramethylammoniumhydroxid-opløsning ((CH 3 ) 4 NOH)/TMAH Teori Et ferrofluid, er det vi på dansk kalder en magnetisk væske. I virkeligheden findes der dog ikke magnetiske væsker, da magnetisme er en egenskab, som kun findes i faste stoffer. Det er de opløste nanopartikler af metal, der giver væsken dens magnetiske egenskaber. Ferrofluids blev opdaget af forskere fra NASA i 1960 erne, da de forsøgte at finde en metode til at kontrollere væsker i rummet. De opdagede, at nanopartikler af metal kunne opløses i olie eller vand, og væsken kunne derefter styres med en magnet. De nye væsker kaldte de for ferrofluids. Nanopartikler i ferrofluids er typisk af størrelsen 10 nanometer, hvilket gør dem små nok til, at de forbliver i opløsning. 1
Ferrofluids har mange anvendelsesmuligheder. For eksempel anvendes de allerede i dag som støddæmpende væske i høreapparater og til at dæmpe de højeste lydfrekvenser i telefoner. i Desuden anvendes ferrofluids til hjerneskanninger, hvor den magnetiske væske bruges som kontraststof og følges på dens vej igennem hjernes blodårer ved hjælp af et magnetisk felt. Forskere arbejder også på at udvikle hurtigere og mindre computere, hvor ferrofluids benyttes til datalagring. I eksperiment 2 skal du arbejde med at udvikle en ny metode til dosering af kræftmedicin v.h.a. af ferrofluids og magnetisme. Figur 1 Surfaktanter ( Surface active agent ) Surfaktanter er molekyler med et negativt (hydrofilt) hoved og en neutral (hydrofob) hale. På grund af denne dobbelte egenskab kan surfaktanter bryde overfladespændingen i f.eks. vand. Sæbe er et eksempel på en surfaktant, de hydrofobe haler binder til skidtet, mens de hydrofile hoveder binder til vandet. På den måde brydes overfladespændingen og skidtet går i opløsning. I dette eksperiment skal du fremstille et ferrofluid med magnetiske nanopartikler af magnetit. Magnetit er en forbindelse af jern og oxygen (Fe 3 O 4 ) og det er fra jernet (ferrum = jern), at navnet ferrofluid stammer. Da magnetitpartikler har en tendens til at klumpe sig sammen og derved fælde ud af opløsningen, tilsættes et surfaktant (figur 1), det vil sige et stof, der holder magnetitpartiklerne i opløsning. Surfaktanten, du skal bruge i eksperimentet, hedder tetramethylammoniumhydroxid, (TMAH). Figur 2. Illustration af stabilisering af en magnetisk væske med TMAH. De negative OH - binder til magnetitpartiklerne og tiltrækker de positive (CH 3 ) 4 N +, der danner en positiv skal om de enkelte partikler, som derefter frastøder hinanden. Størrelsesforholdene på tegningen er ikke korrekte. 2
TMAH er negativ ladet i den ene ende (OH - ) og positivt ladet i den anden ende (( CH 3 ) 4 N + ). De negative ender binder til de enkelte magnetitpartikler med de positive ender strittende ud. På den måde bliver der dannet en positiv ladet skal omkring hver enkelt magnetitpartikel, og derfor frastøder partiklerne hinanden, så de bliver i opløsning i stedet for at sætte sig sammen (figur 2). Stoffer med egenskaber som TMAH hedder surfaktanter. Partikelstørrelsen og forholdet mellem magnetit og surfaktant er kritisk for at opnå de ønskede egenskaber. En opløsning med for meget eller lidt surfaktant sammen med en stor magnetit-partikelstørrelse vil ikke have en væskes egenskaber. Til sidst i eksperimentet skal du forsøge at flytte en mønt ved først at placere den i ferrofluidet og derefter bevæge piggene ved hjælp af en magnet. Ideen med at bruge ferrofluids til at flytte objekter med er blandt andet en, som forskere ved Duke Universitet i USA beskæftiger sig med. Tanken er, at bruge den magnetiske væske til at flytte rundt med celler og molekyler ii. 3
Eksperiment Eksperiment 1: Fremstilling af ferrofluids - Elevvejledning 1. Hæld 4 ml FeCl 3 opløsning og 1 ml FeCl 2 opløsning i et 150 ml glas og rør rundt. 2. Tilsæt én dråbe ad gangen 50 ml 0,5 M ammoniumhydroxid til jernkloridopløsningen, samtidigt med at du rører rundt. Det er meget vigtigt, at ammoniumhydroxiden tilsættes langsomt, dvs. dråbe for dråbe. Bliv ved med at røre rundt til alt ammoniumhydroxiden er tilsat. Under tilsætningen af ammoniumhydroxiden vil der dannes et sort bundfald. Det er magnetitpartiklerne. 3. Stil glasset oven på en magnet. Magneten trækker alt magnetiten ud af opløsningen og vandet bliver klart. 4. Hæld det overskydende vand fra. Hold evt. magneten under glasset imens. Magneten holder magnetitpartiklerne fast, så de ikke ryger ud med vandet. 5. Hæld nu magnetiten over i en vejeskål. Tilsæt evt. først en lille smule vand, for at få det hele med. 6. Sæt vejeskålen oven på en magnet for at trække magnetiten ned på bunden. 7. Hold magneten under vejeskålen og hæld det overskydende vand fra. 4
8. Skyl magnetiten to gange ved at hælde vand i vejeskålen, bruge magneten til at trække magnetiten ned på bunden og hælde det overskydende vand fra. På den måde skylles den overskydende ammoniumhydroxid af magnetitpartiklerne. 9. Fortsæt med at hælde vand fra til prøven er en tyk væske, men pas på ikke at fjerne alt vandet. Prøven har den rette konsistens, når vejeskålen kan hældes, uden at prøven flyder ud af skålen. 10. Tilsæt 1 ml 25% TMAH og bland prøven ved at bevæge vejeskålen henover magneten i 2 minutter. 11. Når prøven er godt blandet, hældes den overskydende sorte væske fra, mens magneten holdes under vejeskålen som før under skylningen. 12. Bevæg magneten rundt under vejeskålen med den magnetiske væske, indtil væsken danner pigge. 13. Du har nu fremstillet et ferrofluid. Nu skal du prøve, om densiteten af nanopartiklerne er stor nok til at kunne bære en mønt. Placerer en mønt i væsken husk at bære handsker og gentag nu bevægelsen med magneten under vejeskålen. Hvad sker der? Prøv dig frem med magneter af forskellige styrker og mønter a f forskellig vægt. 5
Spørgsmål og opgaver 1. Hvad er koncentrationen af FeCl 3 - og FeCl 2 -opløsningerne? 2. Hvilke oxidationstilstande af jern findes i magnetit (Fe 3 O 4 )? 3. Tegn strukturen af TMAH ((CH 3 ) 4 NOH) 4. Hvorfor er det vigtigt at tilsætte ammoniumhydroxiden langsomt? Hvad ville der ske, hvis man tilsatte det for hurtigt? 5. Hvorfor holder man en magnet under glasset, mens vandet hældes fra? 6. Hvad er formålet med at tilsætte TMAH? 7. Beskriv hvad der sker, når en magnet kommer tæt på en magnetisk væske. Hvad sker der, når magneten fjernes? 8. Afstem reaktionsskemaet: FeCl 3 + FeCl 2 + NH 3 + H 2 O Fe 3 O 4 + NH 4 Cl 8. Kom med nogle eksempler på, hvor magnetiske væsker kunne være nyttige. i Rexton Nyhedsbrev, juni 2005, nr. 3: http://www.hoergeraete-siemens.de/00_dk/b2b/06_nyhedsbreve/nyhedsbrev_3_0605.pdf ii http://www.sciencedaily.com/releases/2005/06/050621074514.htm 6