Les Ferrofluides

Lycée franco-costaricien
Les Ferrofluides
Comment expliquer de quelle manière un Ferrofluide peut être utilisé
pour dépurer les substances oléiques de l’eau ?
Victor Vargas, Ronald Brenes, Gabriel Gonzales
Table des matières
I.
Introduction ............................................................................................................................................... 2
II.
Approche théorique .................................................................................................................................. 2
1)
Suspension Colloïdale............................................................................................................................ 2
2)
Caractéristiques des Ferrofluides .......................................................................................................... 2
III.
Fabrication d’un Ferrofluide de Magnétite par précipitation chimique................................................ 3
1)
Vision Générale ..................................................................................................................................... 3
2)
Synthèse ................................................................................................................................................ 4
3)
Comparaison des deux tensioactifs ....................................................................................................... 6
IV.
V.
Applications du Ferrofluide ................................................................................................................... 7
1)
Démarche initiale .................................................................................................................................. 7
2)
Observation importante et changement d’orientation de nos recherches .......................................... 9
a)
Démarche expérimentale ............................................................................................................... 10
b)
Ouverture théorique ....................................................................................................................... 12
c)
Étude sur la taille des particules ..................................................................................................... 16
Conclusion ............................................................................................................................................... 19
I.
Introduction
Depuis plus de cinquante ans, on a commencé à utiliser, dans plusieurs domaines,
un type de liquide qui réagit et qui peut être manipulé grâce à des champs magnétiques.
Ces liquides, appelés Ferrofluides, sont utilisés dans la mécanique jusqu’à la médecine. Ils
ont été développés en 1960 par Stephen Papell, un scientifique de la NASA, comme
méthode de contrôle de fluides dans l’espace et au cours du temps cette méthode de
mobilisation des fluides a été adopté en mécanique, comme par exemple pour créer des
joints hydrauliques dans des appareils comme les disques durs d’ordinateur; de plus, on
les utilise dans des haut- parleurs pour refroidir et pour éviter vibrations indésirables qui
peuvent être produites par ceux-ci. Aussi, on a fait des études pour implémenter cette sorte
de fluides dans la médecine, comme par exemple, pour transporter des médicaments vers
zones spécifiques du corps en les reliant aux particules du FF et en utilisant un champ
magnétique externe pour les guider. Notre problématique a évolué au cours de nos travaux
vers la formulation suivante:
Comment expliquer de quelle manière un Ferrofluide peut être utilisé pour dépurer
les substances oléiques de l’eau?
Premièrement, on va présenter une étude théorique sur les Ferrofluides, ensuite on
va présenter la fabrication de Ferrofluide de magnétite (Fe3O4) par précipitation chimique
en étudiant l’influence des paramètres de synthèse sur ses caractéristiques et propriétés.
Enfin, on va expliquer les applications de ces liquides et les résultats obtenus.
II.
Approche théorique
1) Suspension Colloïdale
Les suspensions colloïdales sont un mélange hétérogène, constitué d'au moins
une phase dispersée dans un milieu suspensif ; on peut différencier deux phases: la phase
suspendu (F1) et les milieux de suspension (F2). Les deux peuvent être des phases
solides, liquides ou gazeuses. La phase dispersée est la phase de plus petite quantité et
elle est composée par des particules de diamètre entre 1nm jusqu’à 1µm. Selon l´état de
la matière des phases, les suspensions colloïdales se classifient en: émulsions (F1 :
liquide ; F2 : liquide), sols (F1 : solide ; F2 : liquide), Aérosols (F1 : liquide ; F2 : gaz),
émulsion solide (F1 : liquide ; F2 : solide), mousse (F1 : gaz ; F2 : liquide).
2) Caractéristiques des Ferrofluides
-
-
-
Les Ferrofluides sont des suspensions colloïdales.
Les Ferrofluides possèdent des nanoparticules magnétiques suspendues en un
milieu de suspension liquide, donc on dit que les Ferrofluides sont des sols ou
suspensions colloïdales.
Un produit est considère un Ferrofluide si celui-là possède autant des propriétés
magnétiques que des propriétés de liquide, quel que soit le champ magnétique
appliqué.
Les Ferrofluides sont paramagnétiques; le paramagnétisme désigne en
magnétisme le comportement d'un milieu matériel qui ne possède pas
-
-
-
-
d'aimantation spontanée mais qui, sous l'effet d'un champ magnétique extérieur,
acquiert une aimantation dirigée dans le même sens que ce champ d'excitation. Si
ce champ magnétique est enlevé donc le matériel perd son magnétisme. (Voir
annexe 1)
Sous l’influence d’un champ magnétique, dans la superficie des Ferrofluides
se forment des patrons très réguliers (piques). Ceci peut être expliqué par les lignes
du champ magnétique qui ne sont pas perceptibles par l’œil humain.
Les Ferrofluides perdent leurs propriétés magnétiques quand ils atteignent
des températures suffisamment élevés ; ce phénomène est connu comme la
température de Curie qui est la température supérieure ou égale à laquelle un
corps magnétique perd ses propriétés magnétiques.
Normalement, les nanoparticules qui sont utilisés, dû à leur méthode
d’obtention, sont les particules de Magnétite (Fe 3O4) ou celles de Hématite (Fe2O3).
Les particules de Magnétite (qui sont celles qui possède notre Ferrofluide)
doivent être stables dans la suspension, alors il faut éviter l’agglomération
des particules magnétiques et, pour ceci, elles doivent être recouvertes avec une
couche d’un matériel approprie. Selon cette couche, les Ferrofluide peuvent être
qualifiés en deux groupes : ceux qui possèdent une couche composé par un
surfactant ou tensioactif (SFF) et ceux qui sont composés par une couche
électrique ou ionique (IFF). On va plutôt parler des SFF qui sont ceux qui
correspondent au travail.
- La synthèse se fait en deux pas essentiels. Premièrement, il faut créer les
nanoparticules de magnétite. Deuxièmement, il faut créer la suspension colloïdale
en mélangeant la magnétite avec le milieu suspensif puis, ajouter un tensioactif ou
surfactant (voir note) pour éviter une agglomération des particules.
Il y a deux méthodes pour obtenir les nanoparticules de magnétite: par
réduction de taille, qui consiste à décomposer les particules les plus grandes du
matériel en particules plus petites jusqu’à obtenir la taille désiré; et par précipitation
chimique, qui est la plus utilisé à cause de son bas coût et sa facilité de réalisation.
C’est cette méthode que nous avons réalisé pour notre travail et qu’on expliquera
plus tard.
NOTE:
Tensioactif ou surfactant: c’est une espèce chimique qui permet
De solubiliser/mélanger deux substances non-miscibles.
III.
Fabrication d’un Ferrofluide de Magnétite par précipitation
chimique
1) Vision Générale
Tout de suite, on va présenter une méthode facile et économique pour préparer un
Ferrofluide de Fe4O3 qui s’utilise dans des cours universitaires de sciences ou d’ingénierie.
Le processus a une durée de moins de deux heures et consiste en la réaction d’ions de
fer (II) et fer (III) dans une solution d’ammoniac aqueux pour former de magnétite comme
on peut voir dans l’équation suivante:
2 FeCl3 + FeCl2 + 8 NH3 + 4 H2O → Fe3O4 + 8 NH4Cl
La magnétite est mélangée avec de l’Hydroxyde de Tétraméthylammonium, qui est le
tensioactif pour réaliser la suspension colloïdale.
Le processus de synthèse finit avec la suspension colloïdale.
2) Synthèse
- Sécurité: C’est impératif d’utiliser des gants et lunettes de protection car
l’ammoniac et le FeCl3 sont très corrosifs. D’autre part, le FeCl2 appart d’être corrosif,
il est très toxique et mutagène. Tous ces produits doivent être utilisés avec précaution pour
éviter un éventuel accident. En cas de contact avec la peau, il faut laver immédiatement
avec de l’eau. Aussi il faut savoir que ce type de Ferrofluide produit des taches
permanentes en n’importe quelle type de textile et possède un pH très élève, donc il faudra
utiliser une blouse de laboratoire.
- Produits à utiliser :

Chlorure ferreux (FeCl2)

Chlorure ferrique (FeCl3)

Hydroxyde d’ammonium (NH4OH)

Hydroxyde de tétraméthylammonium (C4H13NO)

Eau distillé
- Concentration des solutions de FeCl3, FeCl2 et NH4OH :
V = 1L (On la réalise en dissolvant)
– FeCl3. 6(H2O): C = 1,0 mol/L
n = C * V = 1,0 mol
m=n*M
m = 1,0 * (M(Fe) + 3 * M(Cl) + 6 * (2 * M(H) + 6 * M(O)))
m = 270,30 g.
– FeCl2. 4(H2O): C = 2,0 mol/L
n = C * V = 2,0 mol
m=n*M
m = 2,0 * (M(Fe) + 2 * M(Cl) + 4 * 2 *(M(H) + 4 * M(O)))
m = 397,60 g.
– NH4OH: C = 0,5 mol/L
n = C * V = 0,5 mol
m=n*M
m = 0,5 * (M(N) + 5 * M(H) + M(O))
m = 58,30 g.
Soient S1, S2 et S3 les solutions de FeCl3 FeCl2 et NH4OH
- Protocole :
Mélanger 4 mL de S1 et 1mL de S2 dans un bécher de
100 mL avec l’aide d’un agitateur magnétique.
Pendant qu’on agite la solution, ajouter 50 mL de
NH4OH progressivement et lentement à l’aide
d’une burette pendant 5 minutes. Un précipité noir
doit se former quand on ajoute l’hydroxyde
d’ammonium (NH4OH) : c’est le Fe3O4 (magnétite).
Une fois que l’hydroxyde d’ammonium est totalement consommé, on éteint l’agitateur et on
place sous le bêcher un aimant suffisamment fort (comme un de néodyme) : les
nanoparticules de Fe3O4 qui se sont formées vont se précipiter au fond du bêcher par
attraction magnétique.
Maintenant, il faut l a i s s e r décanter le milieu
réactionnel
pour séparer
les
particules de
Fe 3O4 de l’eau et l’hydroxyde d’ammonium.
Ajouter un peu d’eau et transférer le liquide dans
un autre récipient plus léger. Éliminer l’excès
d’eau.
Laver deux fois de plus les particules de magnétite pour éliminer l’excès d’hydroxyde
d’ammonium et jeter l’excès une autre fois, il faut faire attention à ne pas jeter tout l’eau
car il faut se rappeler que les Ferrofluides sont une suspension en eau.
Le liquide aura une consistance correcte quand on retire l’aimant
Et si on agite le récipient il n’aura pas des particules qui se séparent de l’ensemble. C’est
important d’avoir la consistance optimale avant de réaliser la suspension.
Ajouter 1mL d’hydroxyde de Tétraméthylammonium et mélanger à l’aide d’un agitateur.
Placer une autre fois l’aimant et jeter l’excès.
Si le FF obtenu es trop visqueux, alors ajouter une goutte ou mois d’eau distillée.
Il existe plusieurs types de surfactant, dû au fait que l’on n’aie pas d’hydroxyde de
tétraméthylammonium, on va utiliser un autre surfactant, c’est le bromure de
cétyltriméthylammonium (C19H42BrN).
3) Comparaison des deux tensioactifs
Bromure de Cétyltriméthylammonium :
- Possède une longue chaîne carbonée
- Possède un ion bromure
- De grande taille qui rend difficile la suspension complete des particules de magnetite
(absence de pics au niveau de la surface du Ferrofluide)
Hydroxyde de Tétraméthylammonium :
- Possède quatre groupes méthyl
- Possède un ion hydroxyde
- Taille moléculaire idéale pour l’obtention d’une
suspension parfaite (présence de pics)
IV.
Applications du Ferrofluide
Les Ferrofluides ont une variété de propriétés qui les rend applicables dans
nombreux domaines. Ceci va leur permettre notamment de pouvoir remplacer d’autres
matériaux moins efficaces au niveau d’un système complexe et donnera lieu à des
nouvelles solutions pour la technologie.
Dans le domaine de la médecine, les Ferrofluides sont utilisés pour transporter des
médicaments á des endroits spécifiques du corps d’un individu. Pour ceci, il faut que les
particules de magnétite soient dispersées dans un milieu dispersif approprié pour des
systèmes biologiques et recouvertes d’un polymère biodégradable pour les attacher aux
médicaments. Une fois rattachés, le Ferrofluide est injecté et dirigé vers les tissus d’intérêt
á l’aide de champs magnétiques externes. Là, le polymère se dégrade et les médicaments
sont libérés.
Ces liquides sont considérés plus compétents comparés à différents agents
capables de refroidir comme l'eau, l'ammoniac, l'azote et l'air froid (gazeux) ou, de la même
manière, un solide permettant de disperser la chaleur car c'est strictement le seul élément
ayant la plus basse température dans le système pour atteindre son objectif.
1) Démarche initiale
On cherche à expliquer comment un Ferrofluide peut être utilisé pour des
opérations de refroidissement et pas un autre type de réfrigérant.
Les Ferrofluides sont couramment utilisés dans des haut-parleurs pour amortir
indifféremment le mouvement du cône puisqu'il y a forcément du contact entre le
refroidisseur (ou réfrigérant) et l'objet refroidi, créant au même temps de la friction dans le
cas d'un solide, et cela provoque l'usure du matériel. Certes, dans des méthodes moins
récentes, l'air qui peut aussi être utilisé autour de la bobine de ces haut-parleurs conduit
très mal la chaleur, il est donc favorablement substitué par du Ferrofluide car l’une de ces
singularités lui attribue une meilleure manipulation. En effet, il est plus convenable
d’employer un fluide au lieu d’un gaz ou d'un solide dans le but de refroidir un objet, ou
bien de transférer de l’énergie.
Les Ferrofluides permettent d’améliorer le transfert thermique au sein des enceintes
audio ou des haut-parleurs électromagnétiques de grande qualité, afin d’obtenir un son de
haute performance et sans surchauffe.
C'est ainsi qu'en présence d'une bobine (productrice de chaleur), le Ferrofluide se voit affecté
de manière importante par la force magnétique qu'elle possède et en procurant une
attraction. Lorsque le ferrofluide absorbe la chaleur émise par la bobine, cette attraction va
pouvoir mettre en relation deux températures distinctes presentes dans le liquide grâce à
la force qui excite une partie du matériel. Lors du contact, le liquide est distribué tout autour
de la bobine en présence de son champ magnétique, il se situe dans ce qui serait dans un
haut-parleur "normal"; l'écart de l'air, aussi autour de la bobine, dans un conteneur aplati en
forme d'anneau pour évacuer la chaleur de manière multilatérale.
D'ailleurs, la séparation de ces matériaux est due avantageusement parce que le
Ferrofluide, dit paramagnétique, obéit forcément à la Loi de Curie, c'est-à-dire que
les particules chauffées du Ferrofluide qui se trouvent au-delà de la température de Curie
vont perdre leur aimantation et vont donc être remplacées par des particules froides. Ainsi,
le Ferrofluide devient moins magnétique à des températures plus élevées. Il s'agit d'un
procédé efficace de refroidissement qui ne nécessite pas un apport d'énergie
supplémentaire:
Cas général de magnétisation d'un
matériau paramagnétique en fonction de la
température.
Cas général de magnétisation d'un
matériau paramagnétique en fonction
de l’inverse de la température.
2) Observation importante et changement d’orientation de nos recherches
Dès le début de notre projet, la synthèse présentait déjà un souci, car pour obtenir
une suspension colloïdale dans le cas des ferrofluides on devait être très précis lors de la
manipulation des produits chimiques puisque, comme on allait découvrir plus tard, des
faibles variations des paramètres expérimentaux avaient des effets sur notre produit. Avant
même de faire une synthèse, on devait chercher les produits chimiques spécifiques pour la
fabrication du ferrofluide, et l’hydroxyde de Tétraméthylammonium (C4H13NO) était le
surfactant utilisé normalement. Ce surfactant était un peu difficile à obtenir, donc nous avons
visité la Faculté de Chimie de l’Université du Costa Rica (UCR) pour essayer de l’avoir.
Notre surprise a été grande car, même pas à l’université, ce surfactant n’était pas en stock.
Nos propres recherches nous ont montré que c’était coûteux de l’obtenir et sa prenait deux
mois à peu près pour l’amener de l’extérieur, du temps et de l’argent dont on ne disposait
pas. Vu que notre situation n’était pas favorable, le professeur Erick Castellón qui travaille
à l’université, nous a proposé d’utiliser un surfactant qui possède certaines caractéristiques
semblables au surfactant qu’on cherchait : c’est le Bromure de Cétyiltriméthylammonium
(C19H42BrN).
Une fois qu’on avait le nouveau surfactant, nous avons essayé la synthèse, sans
obtenir les résultats prévus, c'est-à-dire, les pics. On ne trouvait vraiment une explication
pour cela, alors nous avons retourné à l’UCR, mais cette fois-ci on a parlé avec Ernesto
Ballestero, un professeur de chimie inorganique. C’est lui qui nous a expliqué plusieurs
choses essentielles pour comprendre le fonctionnement des ferrofluides, comme par
exemple qu’on n’obtenait pas les pics a cause de deux facteurs principaux : La taille de la
particule de surfactant et la taille des particules de magnétite. À ce moment-là, nous avons
décidé d’obtenir le plus d’avantage de la situation puisque l’autre surfactant n’était pas
possible d’obtenir. En sachant plusieurs caractéristiques sur la composition chimique du
nouveau surfactant et la manière dont agit à différentes substances, nous avons émis une
hypothèse : Est-ce que c’est possible de mobiliser des substances oléiques avec des
ferrofluides ? Selon nos recherches documentaires, le C19H42BrN est un détergent qui, par
définition, est une substance lipophile, ce qui signifie qu’il est capable de détacher les
graisses ou les substances oléiques présentes dans une surface. Avec cette nouvelle
hypothèse, il nous restait tout simplement de la vérifier.
Faite l’expérience pour confirmer notre hypothèse, notre projet possédait une
problématique vraiment intéressante et une direction très claire, nos recherches sur internet
et avec les professeurs de chimie nous ont montré que en fait personne n’avait encore
travaillé avec un ferrofluide qui avait des caractéristiques similaires, ce qui représentait une
découverte.
a) Démarche expérimentale

Protocole :
Tout de suite, on va présenter un protocole avec lequel on pourrait utiliser notre
Ferrofluide pour dépurer les lipides liquides (huiles) de l’eau.
Premièrement, on verse le Ferrofluide fabriqué avec le tensioactif Bromure de
Cétyltriméthylammonium dans le mélange hétérogène eau-huile:

Observations :

Interprétation :
Au moment où le Ferrofluide rentre en contact avec le mélange, l’huile commence à être
attirée vers les Groupes Apolaires du surfactant qui entoure les particules de Magnétite
grâce aux forces de dispersion de London
Toujours grâce aux forces de dispersion de London, des agglomérations de Fe3O4
C19H42BrN – Huile se forment. Avec un agitateur on s’assure que le Ferrofluide soit répartit
de manière uniforme dans le mélange.
Puis, avec un champ magnétique externe, comme par exemple un aimant de
néodyme, on attire les particules de Ferrofluide qui, elles aussi attirent les particules de
huile.
En discutant avec M. Arturo Ramírez nous nous sommes interrogés à la taille des particules
créés et le moyen de les mesurer, afin de voir prochainement son éventuelle influence sur
la qualité de la dépuration.
Avec notre hypothèse confirmée, on avait plusieurs questions, mais il nous a suffi de choisir
une pour continuer notre travail. Faire une étude sur la taille des nanoparticules nous a
semblé intéressant, même s’il y avait beaucoup à développer. Pour calculer la taille des
nanoparticules on a demandé de l’aide à Andrey Herrera, un Physicien de l’UCR, il nous a
proposé d’utiliser un microscope de force atomique (AFM).
Prenant en compte tous ces détails, nous avons décidé d’énoncer une nouvelle
problématique:
Comment expliquer de quelle manière un Ferrofluide peut être utilisé pour dépurer les
substances oléiques de l’eau?
Nous allons faire l’inventaire de toutes les forces qu’interviennent entre les particules de
magnétite et surfactant, entre surfactant et huile et entre magnétite et aimant, puis on va
expliquer la méthode utiliser pour mesurer la taille des nanoparticules.
b) Ouverture théorique
Dans le cours de Physique Chimie de première S, on a appris que dans l’Univers
on peut observer plusieurs phénomènes physiques dont les responsables sont les quatre
interactions
élémentaires
qui
sont
interaction
gravitationnelle,
interaction
électromagnétique, interaction forte et interaction faible. (Voir annexe 3)
Dans le cadre de notre travail, on va parler plutôt de l’interaction électromagnétique,
qui est de nature électrique et magnétique et qui s’exerce entres des corps (dans ce cas on
parlera de particules: atomes, ions et molécules), possédant une charge électrique soit
négative ou positive. Enfermés dans cette interaction, il y a différents sortes de forces qui
s’exercent selon les types de particules ou corps qu’on étudie. Par exemple, la force
qu’intervient entre un aimant et une plaque de fer c’est le magnétisme; les forces
qu’interviennent au niveau des particules chimiques s’appellent Forces Intramoléculaires,
qui dépendent de l’électronégativité et Forces Intermoléculaires qui sont de nature
électrostatique; tout de suite on expliquera plus en détail ces forces.
i.
Magnétisme
La force magnétique est un phénomène physique provenant du mouvement des
charges électriques Cette force est à l’origine du repoussement de deux charges électriques
de même signe et de l’attirance de deux charges de signes opposés. Ici, on va parler plutôt
de paramagnétisme car c’est le phénomène qu’a lieu au moment qu’on approche un aimant
à notre Ferrofluide.
Plus spécifiquement, le paramagnétisme c’est le comportement d'un matériel qui ne
possède pas d'aimantation mais, qu’au moment où on applique un champ magnétique
extérieur, acquiert une aimantation qui se dirige dans le même sens que ce champ extérieur.
ii.
Forces Intermoléculaires
Les forces intermoléculaires sont des forces d’attraction physiques, principalement de
nature électrostatique (contrairement aux Forces Intramoléculaires qui sont des forces
d’attraction chimiques), entre des atomes incapables de former des liaisons fortes, ou entre
des molécules qui sont déjà saturées pour former de liaisons fortes. Ils se divisent
principalement en Forces de Van der Waals, Liaisons d’Hydrogène et Liaisons Halogène.
Dans ce travail on va s’intéresser plus aux Forces de Van der Waals.
Elles se divisent en trois types:
- Forces de Keesom
- Forces de Debye
- Forces de dispersion de London
Nous allons décrire seulement les Forces de London puisque sont ces interactions
qui interviennent dans notre Ferrofluide.

•
Polarité
Chez les liaisons, la polarité est due à la différence de l’électronégativité des atomes
qui les composent:
 Si ΔEn < 0,5 c’est une liaison covalente apolaire.
 Si 0,5 < ΔEn < 1,7 c’est une liaison covalente polaire.
 Si ΔEn > 1,7 c’est une liaison ionique.
•
Chez les molécules, la polarité est due à la répartition des charges dans l’espace:
 Si les charges sont réparties de manière symétrique, la molécule sera apolaire.
 Si les charges sont réparties de manière asymétrique, la molécule sera polaire.

Forces de London
Ce sont les forces présentes entre les molécules neutres et apolaires et sont appelés
forces de dispersion. Elles ont lieu lorsqu’il y a une interaction entre deux dipôles
instantanés ou transitoires. Le mouvement des électrons dans une molécule apolaire
provoque que celle-ci devienne un dipôle qui varie rapidement, mais qui est nulle en
moyenne.
Ce dipôle peut polariser une molécule voisine qui est aussi apolaire entraînant la
transformation de celle-ci dans un dipôle instantané, donc il va y avoir une attraction entre
ces deux molécules. Plus une molécule est grande, plus l’intensité des forces est
importante puisque les dipôles instantanés peuvent se produire plus facilement.

Propriétés détergentes du Bromure de Cétyltriméthylammonium
Le Bromure de Cétyltriméthylammonium est un produit chimique qui a des propriétés
tensioactives et qui réciproquement a des propriétés détergentes.
Par définition, un détergent est un composé chimique doté de propriétés
tensioactives, ce qui le rend capable d’enlever les salissures.
Une molécule de détergent est une espèce chimique amphiphile, ce qui veut dire
qu’elle possède un groupe hydrophile (attire l’eau, polaire) et hydrophobe ou lipophile
(insoluble dans l’eau et attire les lipides par forces de dispersion, comme par exemple
l’huile). Ce sont ces propriétés qui rendent capables aux détergents de détacher les
graisses d’une surface.
La structure chimique du Bromure de Cétyltriméthylammonium est comme une tête
avec une longue queue. La tête, formée par un cation N et un anion Br liés par interaction
ion-ion, correspond au groupe hydrophile polaire de la molécule; la queue, formée par une
longue chaine hydrocarbonée, correspond au groupe lipophile apolaire. Due à cette longue
chaine, les « pics » observés dans les FF conventionnels ne peuvent pas se former.
Molécule Amphiphile de Bromure de
Cétyltriméthylammonium

Interaction C19H42BrN – Fe3O4
Au moment où on ajoute le tensioactif aux particules de magnétite, qui ont une charge
partielle positive (δ+), se forment des liaisons ioniques entre ces deux.
Ce phénomène fait que les particules de magnétite soient entourées par le
surfactant et, par les propriétés de ceci, les transforme en particules lipophiles :
c) Étude sur la taille des particules
Lors de nombreuses synthèses de Ferrofluide réalisées, il nous a semblé observer que la
vitesse de décantation n’est pas la même en fonction des conditions de synthèse, en
particulier, les révolutions par minute (RPM). La vitesse de décantation était reliée à la taille
des particules, alors nous nous sommes proposé d’étudier : Taille = f(RPM) en effectuant
le graphique suivant l’aide de nombreuses techniques de mesure de taille de
nanoparticules :
i.
Méthode de mesure : AFM
Le microscope à force atomique (AFM pour Atomic
Force Microscope) est un type de microscope permettant
de visualiser la topographie de la surface d'un échantillon.
Cette technique de mesure est basée sur l'analyse des
particules d’un objet spécifique par le moyen du balayage
d’une plaque en métal contenant une pointe effilée très fine
(ou sonde) a échelle microscopique. Cela permet alors
d’observer graphiquement les grandeurs physiques de
l'objet avec une résolution nanométrique.
La technique AFM étudie, plus précisément,
l'interaction (attraction/répulsion) entre les atomes de la
pointe et les atomes superficiels de l’échantillon, pouvant
repérer l'exact parcours de la pointe, ainsi que la mesure
des forces des interactions intervenant entre eux.
La microscopie à force atomique se caractérise par le mode de mesure par contact
intermittent : celui-ci dépend de la variation de la distance entre la pointe et la surface
analysée. Il consiste à faire vibrer le levier flexible à sa fréquence propre de résonance (en
kHz), avec une certaine amplitude. Lorsque la
pointe interagit avec la surface, l'amplitude
décroît (parce que la fréquence de résonance
change). L’essentiel de la mesure se fait alors
sur l'amplitude d'oscillation du levier en silice.
Pour l'observation à l'air ambiant, les
molécules
doivent
être
complètement
immobilisées sur la surface. Pour l'observation
en milieu liquide, les molécules doivent à la fois
être suffisamment adsorbées sur la surface
pour ne pas être emmenées par la pointe de
l'AFM lors du balayage, et rester suffisamment
mobiles pour qu'il soit possible de suivre des
interactions au cours du temps.
ii.
Images et obtention des moyennes
Particules et agglomérations fabriquées avec 1375 RPM.
Image créée par le programme (WSxM 5.0). Le graphique montre l’oscillation du levier de
silice autour de la particule de magnétite :
25
Z[nm]
20
15
10
5
0
0
100
200
300
400
500
X[nm]
A l’aide du graphique précédent, on utilise le programme qui calcule le dérivé pour obtenir
les dimensions exactes de la particule sélectionnée :
800
700
Z[{nm/µm}]
600
500
400
300
200
100
0
0
50
100
150
200
X[nm]
250
300
350
Ceci est possible en calculant la distance entre les extremums de la courbe qui montre la
dérivée :
800
700
Z[{nm/µm}]
600
500
400
300
200
100
0
0
50
100
150
200
250
300
350
X[nm]
On obtient une taille de particule de 78,013 nm. Ce processus est répété pour la majeure
quantité de particules possibles afin de calculer la moyenne entre toutes les particules
d’un échantillon. De cette manière sera construite la représentation graphique qui contient
l’ensemble des tailles moyennes de la totalité des échantillons qui montrera l’évolution de
celle-ci en fonction des révolutions par minute.
Résultats
Diametre moyen des nanoparticules
(nm)
iii.
Taille des nanoparticules de Fe3O4 en fonction des RPM
(révolutions par minutes)
120
107
101,56
97,61
100
82,03
78,25
80
60
40
20
0
0
500
1000
Quantié de RPM (r.min-1)
1500
2000
On observe que la taille des particules diminue avec la vitesse de centrifugation.
Vitesse de décantation en fonction de la quantité de RPM
Vitesse de Décantation (en s)
1200
1000
800
600
400
200
0
0
500
1000
1500
2000
Quantité de RPM (r.min-1)
On observe que la vitesse de décantation augmente avec la vitesse de centrifugation.
L’étude des tailles des particules mènera à la publication d’un article scientifique avec une
autre méthode de mesure : "Magnetic Force Microscope" (MFM). Cet article n’est pas
encore prêt puisque la méthode est en processus d’optimisation au laboratoire de l’UCR.
Cette méthode est une variable de l’AFM pour mesurer aussi la puissance de certains
champs magnétiques.
V.
Conclusion
Les chaines de carbone présentes dans le Bromure de Cétyltriméthylammonium
(attaché aux particules de magnétite) permettent de mobiliser les lipides qui sont sous
forme liquide, ce qui permet de nettoyer l’eau. On pense que, si cette découverte est
développée par des ingénieurs et des chimistes, pourrait être une solution aux défis
environnementaux d’aujourd’hui en ce qui concerne la contamination de l’eau par des
huiles comme par exemple les déversements de pétrole.
Remerciements:
- Laura Rojas, professeure de physique, Escuela de Física, Instituto Tecnológico
de Costa Rica (ITCR).
- Erick Castellón, docteur en physico-chimie, Escuela de Química, Universidad de
Costa Rica (UCR)
- Ernesto Ballestero, professeur de chimie inorganique, Escuela de Química, UCR.
- Oscar Andrey Herrera, docteur en physique, Escuela de Física, UCR.
- Felipe Montealegre, étudiant de physique.
- Leslie Pineda, Directeur du laboratoire de chimie inorganique.
- Arturo Ramírez, Directeur du CICIMA (Centro de Investigación en Ciencias e
Ingeniería de Materiales)