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. 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
V. 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 (Fe3O4) 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))