Materiali Smart : FerroFluido e Levitazione Magnetica

Il ferrofluido è un materiale che appartiene alla categoria dei materiali nanostrutturati : si tratta infatti di una soluzione colloidale contenente nanoparticelle ferromagnetiche. Per questa sua caratteristica si comporta come un magnete, ma un magnete liquido !

Riportiamo da Wikipedia : un ferrofluido è un liquido che si polarizza fortemente in presenza di un campo magnetico. I ferrofluidi sono composti di nanoparticelle ferromagnetiche sospese in un veicolo fluido, molto spesso un solvente organico oppure acqua. Le nanoparticelle ferromagnetiche sono rivestite di un tensioattivo per prevenire la loro agglomerazione (dovuta alle forze di van der Waals della chimica organica ed alle forze magnetiche).

Proprietà Generali

I ferrofluidi sono composti da nanoparticelle ferromagnetiche, solitamente magnetite, ematite o qualche altro composto contenente Fe²⁺ o Fe³⁺. Le dimensioni delle nanoparticelle sono tipicamente nell’ordine dei 10 nm; tali dimensioni sono contenute al punto da far sì che l’agitazione termica le disperda uniformemente all’interno del solvente, e che le particelle contribuiscano alla risposta magnetica complessiva del fluido rendendolo fortemente paramagnetico.

I ferrofluidi sono stabili. Ciò significa che le particelle solide non si agglomerano o creano fasi separatamente, anche quando immerse in campi magnetici estremamente forti. Comunque, i tensioattivi tendono a spezzarsi con il tempo (pochi anni), e alla fine le nanoparticelle si agglomereranno, separandosi e cessando di contribuire alla risposta magnetica del fluido.

Quando un fluido paramagnetico è sottoposto ad un campo magnetico verticale sufficientemente intenso, la superficie forma spontaneamente una sequenza regolare di increspature, come mostrato nella figura sotto.

Questo effetto, noto con il nome di instabilità di campo normale, è veramente notevole. La formazione di increspature aumenta l’energia libera della superficie e l’energia gravitazionale del liquido, ma riduce l’energia magnetica. Le increspature si formano solamente a partire da un livello critico del campo magnetico, quando la riduzione dell’energia magnetica è maggiore dell’aumento di quelle di superficie e gravitazionale. I ferrofluidi hanno una suscettività eccezionalmente alta ed il campo magnetico necessario all’insorgere delle increspature può essere realizzato da un piccolo magnete.

Le immagini sotto mostrano questo effetto.

I ferrofluidi sono usati comunemente negli altoparlanti e per formare dei sigilli liquidi attorno agli assi di rotazione degli hard disk. Possiedono inoltre caratteristiche di riduzione dell’attrito. Se applicati sulla superficie di un magnete sufficientemente potente, come uno fatto in neodimio, esso può planare su superfici lisce con una resistenza minima, come mostrato nel video seguente.

Levitazione Magnetica della Grafite Pirolitica

Il Carbonio Pirolitico è un materiale simile alla grafite, ma con qualche legame covalente tra i fogli di grafene a causa di imperfezioni nella sua produzione.
Il carbonio pirolitico è un materiale artificiale non presente in natura. Generalmente è prodotto riscaldando un idrocarburo quasi alla sua temperatura di decomposizione, e permettendo alla grafite di cristallizzare (pirolisi). Ad esempio un metodo consiste nel riscaldare fibre sintetiche nel vuoto.

Pochi materiali possono essere fatte levitare stabilmente al di sopra del campo magnetico di un magnete permanente. Sebbene la repulsione magnetica venga facilmente ottenuta tra due magneti, la forma del campo provoca inevitabilmente la spinta laterale del magnete superiore che finisce per cadere, rendendo così impossibile la levitazione stabile per oggetti magnetici. Materiali fortemente diamagnetici, tuttavia, possono levitare sopra potenti magneti.

Con la recente disponibilità di magneti permanenti alle terre rare, il forte diamagnetismo del carbonio pirolitico lo rende un materiale adatto per la dimostrazione della levitazione magnetica, come mostrato nella immagine e nel video sotto riportati.

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