Progetto Lauree Scientifiche Scienza dei Materiali - Attività Laboratori Regionali

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1 Progetto Lauree Scientifiche Scienza dei Materiali - Attività Laboratori Regionali Materiali Magnetici Unità coinvolte Milano, Padova Breve descrizione degli scopi degli esperimenti Il ferromagnetismo è la magnetizzazione permanente risultante dall allineamento degli spin elettronici in elementi come il ferro, il cobalto, nickel, ecc. In questo esperimento, gli studenti affronteranno la preparazione di ferrofluido che mostra proprietà ferromagnetiche. Sintetizzeranno nanoparticelle magnetiche a partire da cloruro di ferro che disperse in un tensioattivo formeranno una sospensione colloidale. Quindi si occuperanno di studiarne le proprietà in presenza di un campo magnetico esterno. Questi materiali vengono usati come sigillanti in applicazioni meccaniche (motori, hard disks, altoparlanti), come veicolo di farmaci in applicazioni biomediche e come inchiostro antifalsificazione per banconote. Fasi 1) descrizione del ferromagnetismo 2) preparazione delle soluzioni 3) formazione della sospensione colloidale 4) decantazione del ferrofluido e purificazione per lavaggi successivi 5) osservazione delle proprietà magnetiche 1

2 Preparazione di un ferrofluido Introduzione e background Il ferromagnetismo è il dipolo magnetico permanente risultante dall allineamento dello spin degli elettroni spaiati di alcuni elementi come il ferro, il cobalto, il nickel, ecc. In questa esperienza, prepareremo un fluido che si comporta da ferromagnete: si sintetizzeranno delle particelle di magnetite (Fe 3 O 4 ) con dimensioni di miliardesimi di metro (nanometro) (nanoparticelle di ferro) stabilizzate con un tensioattivo disperse in acqua a formare una sospensione colloidale. Mediante una calamita, studieremo le proprietà magnetiche di questo ferrofluido sottoposto ad un campo magnetico esterno. Il tensioattivo utilizzato, tetrametil-ammonio idrossido (NH 4 OH), è formato da due specie cariche, (CH 3 ) 4 N + e OH - : l anione idrossido aderisce allaa superficie delle particelle di magnetitee attraendo come proprio contro-ione il catione tetrametilun guscio esterno ammonio, formando carico positivamente. Poiché cariche uguali si respingono, questo fa sì che le particelle di magnetite non si aggreghino, trasformando la soluzione di partenza in una sospensione colloidale (vedi fig. a lato). Le nanoparticelle di magnetite, pur mantenendo il magnetismo della magnetite con dimensione macroscopica, sono prive di isteresi. Ciò significa che il comportamento magnetico è osservabile esclusivamente applicando un campo magnetico dall esterno. Al contrario, in assenza di campi magnetici, la soluzione di nanoparticelle di magnetite si comporta come un normale liquido. Un liquido con questa proprietà viene definito ferrofluido. I materiali ferromagnetici rispondono ad un campo magnetico esterno allineando gli spin dei propri elettroni spaiati secondo le linee di forze del campo (secondo un 2

3 criterio di minimizzazione dell energia). Quando il magnete è lontano dal ferrofluido e quindi nessun campo magnetico esterno è applicato, non c è nulla da vedere se non una soluzione nera. Avvicinandolo, la forza magnetica è sufficiente a dominare sia la tensione superficiale, sia la forza di gravità: il ferrofluido forma delle cuspidi nella direzione delle linee di forza del campo magnetico. L effetto finale è quello di formare delle strutture con morfologia variabile a seconda dell intensità, della forma e della posizione del magnete usato per applicare il campo magnetico. A tal fine si utilizzeranno magneti di diverso tipo ed intensità per mostrate questo fenomeno. La morfologia assunta dal ferro fluido fornisce pertanto indicazioni sulla forma delle linee di campo del magnete. Il campo magnetico esterno può essere utilizzato anche per movimentare il ferrofluido da un punto all altro senza nessun contatto diretto. Attualmente, questo tipo di nanoparticelle è studiato intensamente per la cura e la diagnosi di numerose malattie. Le nanoparticelle magnetiche possono fungere da agenti di contrasto per risonnza magnetica nucleare e da agenti per il riscaldamento localizzato dei tessuti tramite l applicazione di campi magnetici esterni alternati a radiofrequenza. Il primo tipo di applicazione è di tipo diagnostico, il secondo è di tipo terapeutico, per cui tali nanoparticelle vengono definite agenti teragnostici. Inoltre, tali particelle possono essere modificate in superficie, attaccando delle funzioni che ne consentono l accumulo selettivo in particolari parti dell organismo, come i tessuti tumorali. La disciplina che studia l utilizzo dei nanomateriali in medicina si chiama nanomedicina. 3

4 Lavoro Sperimentale I Ferrofluidi sono sospensioni colloidali di nanoparticelle magnetiche. I ferrofluidi rispondono ad un campo magnetico esterno in modo che la posizione della soluzione puo essere controllata attraverso l'applicazione di un campo magnetico. Particelle di Magnetite Fe 3 O 4 possono essere prodotte mescolando Fe(II) e Fe(III) insieme in una soluzione basica. Le particelle devono rimanere piccole e separate tra loro, al fine di rimanere sospese nel liquido. I tensioattivi sono usati per prevenire che le nanoparticelle si avvicinino troppo una all altra. Una volta preparati, i ferrofluidi hanno la proprietà accattivante di esibire "punte" quando sono immersi in un forte campo magnetico. Materiali e attrezzatura o soluzione acquosa di FeCl 3 ( 8 ml, 1 M ) color ruggine o soluzione acquosa di FeCl 2 ( 2 ml, 2 M) color giallo pallido o soluzione acquosa di NH 4 OH ( 100 ml, 0.5 M ) o (CH 3 ) 4 NOH al 25% o pipette ( gocciolatore ) o alcuni magneti permanenti Procedura 1 Procedura modificata da J. Chem. Educ., 76, (1999). Attenzione: i ferrofluidi possono sporcare in modo permanente qualsiasi oggetto macchiandolo di nero. Indossare occhiali protettivi, guanti e camice. Controllare che le soluzioni di ferro siano buone, dato che il Fe(II) reagisce lentamente con O 2 per diventare Fe(III), verificando i colori delle soluzioni di 1M FeCl 3 in 2M HCl (a sinistra) e FeCl 2 2M in 2M HCl (a destra). 1 Filmato presentato al PLS da Giovanni Castoldi e Alessandro Garaffa alunni del Liceo Scientifico e dell'iti Enrico Fermi di Pieve di Cadore. 4

5 1. Aggiunte le soluzioni acquose di FeCl 3 e FeCl 2 in un becker da 500 ml. 2. Gocciolare lentamente con una pipetta o un imbuto gocciolatore la soluzione acquosa di NH 4 OH, mantenendo sempre in movimento la soluzione ferrosa sottostante: un precipitato nero ( magnetite ) comincia a formarsi fino a rendere la soluzione completamente torbida. 3. Appoggiare il becker sopra uno dei magneti permanenti (possibilmente il più potente): tutta la magnetite dovrebbe depositarsi sul fondo, lasciando la soluzione (acqua) pressoché trasparente. 4. Tenendo con la mano il magnete sotto al becker, rimuovere l acqua, facendo attenzione a non perdere parte della magnetite. 5. Dopo aver allontanato il magnete, aggiungere una quantità d acqua sufficiente a coprire la magnetite sul fondo; ripetere la procedura ai punti 3. e Dopo 2 o 3 lavaggi, aggiungere 1 ml di (CH 3 ) 4 NOH e mescolare muovendo il magnete al di sotto del becker. 7. Tenendo fermo il magnete, rimuovere il liquido nero in eccesso. 8. Muovere il magnete per osservare il comportamento del ferrofluido. 2 2 Università di Padova: effetto ottenuto con un po' di ferrofluidi ed una calamita 5