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Datum:
Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft
Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen
Tel. +41 (0) 71 274 72 66, [email protected]
www.swissnanocube.ch
Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für
Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere
Fachschulen
Ferrofluide
3. Dezember 2010
Superparamagnetische Nanopartikel
Modulsponsor:
Dieses Modul wurde mit freundlicher Unterstützung der Metrohm Stiftung Herisau realisiert.
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Magnetische Flüssigkeiten mit erstaunlichen Eigenschaften
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Quelle: Swiss Nano-Cube
Ferrofluid aus Magnetit-Nanopartikeln
Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Ferrofluid“ zu finden.
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Inhalt
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Einführung
Experimentelle Durchführung
Materialien, Chemikalien, Vorgehen
Sicherheitshinweise
Theoretische Grundlagen
Grundlagen Magnetismus
Oberflächenfunktionalisierung
Anwendungen
Lernziele/Kontrollfragen
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Einführung
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Video: Krebs bekämpfen mit Ferrofluiden
Video Magforce
www.magforce.de
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Experimentelle Durchführung
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Video: Vorgehen bei der Herstellung eines Ferrofluids
Video Ferrofluid
www.swissnanocube.ch
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Experimentelle Durchführung
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Sicherheitshinweise
Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe!
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Theoretische Grundlagen
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Grundlagen Magnetismus: Magnetfeld
Quelle: Swiss Nano-Cube
Feldlinie
Nordpol
Südpol
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Theoretische Grundlagen
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Grundlagen Magnetismus: Quellen des Magnetfeldes
Elektronen in der Atomhülle: Bewegte Punktladungen
Repetition: Aufbau der Elektronenhülle von Atomen.
Atome können Elementarmagnete sein.
Elektronen bewegen sich um den Atomkern herum und erzeugen ein „schwaches“ Magnetfeld.
Elektronen, die in entgegengesetzte Richtungen drehen, heben ihre Magnetfelder gegenseitig auf.
Wenn über alle Elektronen im Atom die Drehrichtung (=Spin) nicht ausgeglichen ist, ist das Atom ein Elementarmagnet.
Elektromagnete
Stromdurchflossene Spulen
Künstliche Erzeugung von bewegten Ladungen
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Theoretische Grundlagen
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Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung
Magnetisieren heisst, alle Elementarmagnete gleich ausrichten
Bestimmte Materialien können, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind, selber magnetisch werden. Sie werden magnetisiert.
Magnetisieren heisst, dass die einzelnen Elementarmagnete bezüglich ihrem Nord- und Südpol alle gleich ausgerichtet werden.
Magnetisierung
Einzelne Elementarmagnete
nicht magnetisch stark magnetisch
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Theoretische Grundlagen
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Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung
Nicht alle Materialien können magnetisiert werden.
Nur jene Materialien, welche aus Elementarmagneten bestehen, können magnetisiert werden.
Ob ein Material aus Elementarmagneten besteht oder nicht, hängt von dem Aufbau der Elektronenhülle des Atoms ab.
Ferromagnete, Paramagnete, Diamagnete.
Materialien, die stark und dauerhaft magnetisiert werden können, nennt man Ferromagnete (z.B. Eisen, Zink, Kobalt).
Materialien, die nur schwach und nicht dauerhaft magnetisiert werden können, nennt man Paramagnete (z.B. Sauerstoff).
Materialien, die gar nicht magnetisiert werden können, nennt man Diamagnete (z.B. Wasser).
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Theoretische Grundlagen
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Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung
Superparamagnete
Materialien, die stark und aber nicht dauerhaft magnetisiert werden können, nennt man Superparamagnete.
Nanopartikel aus ferromagnetischen Materialien sind superparamagnetisch.
In Nanopartikeln sind nicht genügend Atome (=Elementarmagnete) vorhanden, um die Magnetisierung aufrechtzuerhalten.
Durch die thermische Bewegung der einzelnen Atome wird die Ausrichtung wieder aufgehoben, sobald kein äusseres Magnetfeld mehr vorhanden ist.
Ferrofluide bestehen aus superparamagnetischen Nanopartikeln.
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Theoretische Grundlagen
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Igelstrukturen im Ferrofluid
Quelle: Swiss Nano-Cube
Rosensweig Instabilität
Drei Kräfte: Magnetfeld, Gravitation, Oberflächen-spannung der Flüssigkeit.
Das Ferrofluid befindet sich im Gleichgewicht dieser Kräfte.
Starker Magnet
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Theoretische Grundlagen
Flüssige Magnete
Warum kann man nicht einfach Eisen schmelzen, um ein Ferrofluid zu erhalten?
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Theoretische Grundlagen
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Ferrofluide sind nicht das selbe wie geschmolzene Ferromagnete!
Bei hohen Temperaturen wird durch die Thermische Energie der Atome die Magnetisierung aufgehoben.
Durch die Verflüssigung ferromagnetischer Materialien verlieren diese ihre ferromagnetischen Eigenschaften und werden paramagnetisch.
Paramagnete können nur schwach und nicht permanent magnetisiert werden.
Im Gegensatz dazu können Ferrofluide stark und nicht permanent magnetisiert werden.
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Theoretische Grundlagen
Flüssige Magnete
Warum verklumpen die einzelnen magnetischen Nanopartikel nicht miteinander?
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Theoretische Grundlagen
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Oberflächenfunktionalisierung verhindert das Verklumpen!
Durch das Erzeugen einer positiv geladenen Oberfläche der einzelnen Nanopartikel kann erreicht werden, dass diese sich gegenseitig abstossen und nicht verklumpen.
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Theoretische Grundlagen
Oberflächenfunktionalisierung
Quelle: Swiss Nano-Cube
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Theoretische Grundlagen
Medizin: Krebsbekämpfung durch Hyperthermie-Therapie
Medizin: Gerichteter Wirkstofftransport (Drug Targetting)
Oberflächenbeschichtung von Tarnkappen Flugzeugen
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Anwendungen
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Lernziele/Kontrollfragen
Den Unterschied zwischen Ferromagneten, Paramagneten, Diamagneten und Superparamagneten verstehen.
Verstehen, warum Nanopartikel andere magnetische Eigenschaften besitzen als grössere Partikel.
Erklären können, warum man Ferrofluide nicht einfach durch Schmelzen von Eisen herstellen kann.
Verstehen, was die Oberflächenfunktionalisierung der magnetischen Nanopartikel bewirkt und welchen Nutzen sie hat.
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