In dieser Bachelorarbeit wurde ein herkömmliches Ferrofluid auf Magnetitbasis synthetisiert, charakterisiert und zu neuartigen Hybridferrofluiden weiterverarbeitet. Die Magnetoviskosität bezeichnet den durch ein magnetisches Feld verursachten reversiblen Anstieg der Viskosität in Ferrofluiden (superparamagnetische Nanopartikelsuspensionen). Die magnetoviskosen Eigenschaften wurden mittels eines Piezoelectric membrane axial vibrator (PMAV) untersucht.
Im Rahmen der Bachelorarbeit ist das PMAV-Setup erstmals in Hamburg aufgebaut, kalibriert, sowie dessen Fehlergrenzen bestimmt worden. Insbesondere ermöglicht dieser Aufbau die frequenz- und magnetfeldabhängige Messung der Viskosität besonders kleiner Volumina. Es konnte gezeigt werden, dass das selbst hergestellte sphärische Ferrofluid qualitativ mit kommerziell erhältlichen Ferrofluiden vergleichbar ist. Die Kombination herkömmlicher Ferrofluide mit zusätzlichen Nanoobjekten verspricht den Erhalt von Hybridferrofluiden mit besonders hoher Magnetoviskosität.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Aufgabenstellung
2 Theoretischer Hintergrund
2.1 Magnetismus
2.1.1 Ferromagnetismus
2.1.2 Superparamagnetismus
2.1.3 Magnetische Relaxation
2.2 Ferrofluide
2.2.1 Synthese
2.2.2 Magnetoviskosität
2.2.3 Hybride Ferrofluide
3 Piezoelectric membrane axial vibrator – PMAV
3.1 Einstellung und Test des PMAV
4 Herstellung der Proben
4.1 Herstellung eines Ferrofluids
4.2 Hersttelung der Hybriden Ferrofluide
4.3 Herstellung einer Probe aus einem kommerziellen Ferrofluid
5 Ergebnisse und Diskussion
5.1 TEM-Aufnahmen des Ferrofluids
5.2 SQUID-Messung des Ferrofluids
5.3 Magnetoviskositätsmessungen an den Hybridferrofluiden
5.3.1 Alterung des Ferrofluids
6 Zusammenfassung und Ausblick
7 Anhang
7.1 Anhang A – Hinweise zur Benutzung von ImageJ
7.2 Anhang B – Partikelgrößenverteilung des kommerziellen Ferrofluids
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Magnetoviskosität von neuartigen Hybrid-Ferrofluiden, die durch das Hinzufügen von Nanostrukturen wie Goldnanostäben oder SiO2-Kugeln zu einem herkömmlichen Ferrofluid entstehen. Dabei steht die Forschungsfrage im Fokus, wie sich diese Hybridzusätze auf die Stabilität und Länge von magnetischen Partikelketten und somit auf das rheologische Verhalten unter externem Magnetfeld auswirken.
- Synthese und Charakterisierung eines Ferrofluids auf Magnetitbasis.
- Aufbau und Kalibrierung eines Piezoelectric membrane axial vibrator (PMAV).
- Untersuchung der Magnetoviskosität bei verschiedenen Hybridzusätzen.
- Analyse von alterungsbedingten Einflüssen auf die Magnetoviskosität.
- Vergleich der Ergebnisse mit Referenzproben und Literaturwerten.
Auszug aus dem Buch
2.1.1 Ferromagnetismus
Ferro(Ferri)magnete zeichnet aus, dass sie unterhalb der sogenannten Curie-Temperatur TC auch ohne Vorhandensein eines externen Feldes H eine spontane makroskopische Magnetisierung haben können. Ursache ist, dass es unterhalb von TC zu einer spontanen Magnetisierung in magnetischen Domänen kommt. Die einzelnen magnetischen Momente der Atome reagieren nicht mehr isoliert voneinander, sondern es kommt zu einer Wechselwirkung untereinander, also zu einem kollektivem Phänomen. Quantenmechanisch lässt sich dies durch die isotrope Austauschwechselwirkung Eex erklären, welche zwischen benachbarten Spins wirkt:
Eex = -2 \sum_{i>j} J_{ij} S_i S_j (2.5)
mit dem Austauschintegral zwischen den jeweiligen Elektronen Jij.
Bei Ferromagneten ist Jij > 0. Somit wird eine parallele Anordnung der Spins und damit auch der magnetischen Momente bevorzugt.
Beim Ferromagnetismus kommt es im einfachsten Fall zu einer parallelen Anordnung aller magnetischen Momente. Magnetit (Fe3O4) besteht aus Fe3+- und Fe2+-Ionen (FeO * Fe2O3). Die Momente der Fe3+-Ionen sind untereinander antiparallel ausgerichtet, die der Fe2+-Ionen parallel. Das beobachtete magnetische Moment ist allein den Fe2+-Ionen zuzuschreiben. Diese Art des Magnetismus wird als Ferrimagnetismus bezeichnet. Das magnetische Verhalten ist analog zum Ferromagnetismus. Für Details sei auf die Magnetismus-Lehrbücher [Aha00] und [Kit06] verwiesen.
Abb. 2.1. zeigt die Magnetisierung einer ferromagnetischen Probe in Abhängigkeit des angelegten Magnetfelds H, also eine ferromagnetische Hystereseschleife. Markante Werte sind hier die Sättigungsmagnetisierung MS, die remanente Magnetisierung MR und das Koerzitivfeld HC. MS bezeichnet die größtmögliche Magnetisierung; MR bezeichnet die beim Abschalten des externen Feldes zurückbleibende Magnetisierung; und HC ist die benötigte Feldstärke zum Erreichen einer Magnetisierung der Probe von 0 emu.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Aufgabenstellung: Einführung in die Nanotechnologie und die Zielsetzung, die Magnetoviskosität von hybriden Ferrofluiden mit einem neu aufgebauten Mess-Setup zu untersuchen.
2 Theoretischer Hintergrund: Darstellung der magnetischen Grundlagen, des Superparamagnetismus, der Ferrofluid-Synthese sowie der Mechanismen der Magnetoviskosität.
3 Piezoelectric membrane axial vibrator – PMAV: Beschreibung des experimentellen Messaufbaus und dessen Kalibrierung sowie Diskussion technischer Herausforderungen.
4 Herstellung der Proben: Dokumentation der chemischen Synthese des Ferrofluids und der anschließenden Präparation der hybriden Proben mit verschiedenen Nanoobjekten.
5 Ergebnisse und Diskussion: Vorstellung und Interpretation der TEM- und SQUID-Messungen sowie der magnetoviskosen Untersuchungsergebnisse inklusive der Auswirkungen von Alterungsprozessen.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Fazit zur Arbeit und Diskussion notwendiger weiterführender Forschungsansätze.
7 Anhang: Detaillierte methodische Hinweise zur Bildanalyse mit ImageJ sowie ergänzende Daten zur Partikelgrößenverteilung.
Schlüsselwörter
Ferrofluid, Nanotechnologie, Magnetoviskosität, Magnetismus, Superparamagnetismus, Magnetische Relaxation, PMAV, Hybrid-Ferrofluide, Nanostäbe, Synthese, Magnetit, Partikelgrößenverteilung, Alterung, Rheologie, Magnetfeld.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das magnetoviskose Verhalten von hybriden Ferrofluiden, denen spezifische Nanostrukturen zugesetzt wurden.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Synthese von Ferrofluiden, die physikalische Charakterisierung der Nanopartikel und die rheologischen Messungen mittels eines speziellen Vibrationsgeräts.
Was ist das primäre Ziel der Bachelorarbeit?
Ziel war es zu prüfen, ob die Zugabe von Hybridpartikeln wie Goldnanostäben oder SiO2-Kugeln zu einer signifikanten Steigerung der Magnetoviskosität führt.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein Piezoelectric membrane axial vibrator (PMAV) verwendet, um die Viskosität von sehr kleinen Probenvolumina in Abhängigkeit von Frequenz und Magnetfeld zu bestimmen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt den theoretischen Rahmen, den Aufbau des Messgeräts, die Probenpräparation sowie die Auswertung der Messdaten inklusive einer Diskussion zu Messfehlern und Alterungseffekten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Ferrofluid, Magnetoviskosität, PMAV, Superparamagnetismus und die Charakterisierung von Nanopartikel-Suspensionen.
Welche Rolle spielt die Alterung für die Messergebnisse?
Die Alterung führt zu einer Agglomeration der Partikel, was die Magnetoviskosität stark beeinflussen und somit die Messergebnisse verfälschen kann.
Warum konnte kein Anstieg der Magnetoviskosität durch die Hybridpartner nachgewiesen werden?
Es wird vermutet, dass die gewählten Hybridpartikel nicht stabilisierend auf die magnetischen Ketten gewirkt haben und eine zu hohe Anzahl an Variablen den direkten Vergleich erschwerte.
Welche Bedeutung hat das neu aufgebaute PMAV-Setup?
Es ermöglicht hochpräzise Viskositätsmessungen an sehr kleinen Mengen, ist jedoch anfällig für Temperatureffekte und Kalibrierungsunsicherheiten.
Was sind die nächsten Schritte für zukünftige Arbeiten?
Es wird eine gezieltere Variation einzelner Parameter unter engerer Zusammenarbeit mit der Chemie empfohlen, um den Einfluss der Partikelbeschichtung und -geometrie isoliert zu betrachten.
- Arbeit zitieren
- René Faust (Autor:in), 2012, Hybride Ferrofluide basierend auf länglichen Nanoobjekten. Untersuchung der Magnetoviskosität, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1029955
