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FERROFLUIDES ET NANOSTRUCTURES
PROPRIÉTÉS DES FERROFLUIDES
Les ferrofluides sont des liquides pouvant être manipulés par un champ
magnétique.
Ce sont des suspensions colloïdales, c’est-à-dire qu’ils sont constitués de
particules magnétiques nanométriques (3 à 20 nm) en suspensions dans un
liquide.
Ils possèdent à la fois des propriétés magnétiques et les propriétés d’un
liquide.
Les ferrofluides ne possèdent un magnétisme que s’ils sont excités par un
autre champ magnétique. Ils adoptent alors la polarité de ce champ et
prennent des formes en pic régulières. En revanche, si le ferrofluide est
exposé à une température supérieure ou égale à sa température de Curie, il
perd ses propriétés magnétiques.
Un bon ferrofluide doit conserver ses propriétés de fluide en champ magnétique élevé et les particules ne
doivent pas se séparer du liquide porteur. L’énergie d’agitation thermique de ces particules les maintient en
suspension et donne à la solution son comportement de paramagnétisme géant. La réponse magnétique d’un
ferrofluide est due à l’interaction des particules magnétiques avec les molécules de solvant qui les entourent.
Ces interactions sont suffisamment fortes pour que le comportement magnétique des particules se transmette à
l’ensemble du liquide : celui-ci acquiert ainsi un comportement magnétique global et peut se déplacer et se
déformer sous l’action d’un champ magnétique tout en conservant une phase unique.
HISTOIRE DES FERROFLUIDES
L'apparition du ferrofluide date de la deuxième moitié du XXème siècle. Avant cette
découverte, les matériaux magnétiques étaient uniquement sous forme solide voire
sous forme de suspensions magnétiques à partir des années 1930. Les travaux de
recherche sur les fluides magnétiques datent de 1779 avec Wilson qui établit une
première approche en préparant un fluide constitué de fines particules de fer dans de
l'eau.
Ces recherches aboutissent avec Stephan Papell, un scientifique de la NASA qui
réussit à synthétiser un ferrofluide en mélangeant de la poudre de magnétite à du
kérosène en présence d'acide oléique qui jouait le rôle de tensioactif. Il broya par la
suite ce liquide durant 10 mois afin d'obtenir des nanoparticules, son but étant de
fabriquer un liquide de propulsion de fusée en absence de gravité. Il créa ainsi le
premier ferrofluide stable et durable de l'histoire.
Cette idée de propulseur de fusée n'a jamais été mise en pratique par l'agence spatiale, en raison de
l'état brut du ferrofluide. Cependant, avec cette découverte, Stephen Papell (en photo) a jeté les bases pour la
recherche scientifique et le développement de la technologie fluide magnétique.
Cette recherche novatrice, financée par la NASA, a conduit au développement d'une grande variété de
liquides magnétiques à un usage commercial. L'aimantation et la stabilité des fluides ont été grandement
améliorées depuis. La mécanique des fluides a même été reconnue comme une nouvelle branche de la science
et a été nommée Ferrohydrodynamics.
L'utilisation commerciale de ces ferrofluides a commencé en 1968 avec la fondation de la Société
Ferrofluidics. Le nom officiel pour le produit a été donné comme ferrofluides. Depuis lors, l'entreprise et le
produit ont beaucoup changé en taille et en applications.
SYNTHÈSE D’UN FERROFLUIDE
Afin de créer un ferrofluide, il convient de créer les particules de magnétite et de les plonger dans leur milieu
suspensif.
Remarque : pour que le ferrofluide puisse conserver les propriétés d’un liquide, il faut éviter que les particules
de magnétite ne s’agglomèrent. Pour ce faire, il est nécessaire d’introduire un tensioactif dans la composition
du mélange.
Il existe plusieurs moyens de créer des ferrofluides, ainsi que des variantes de ferrofluides. Cependant, nous
ne présenterons ici que la méthode que nous avons nous-même employée.
L’obtention du ferrofluide est faite par précipitation chimique de formule :
FeCl2 (aq) + 2 FeCl3 (aq) + 8 NH3 (aq) + 4 H2O (l) → Fe3O4 (s) + 8 NH4Cl (aq)
Réactifs:
• solution de chlorure de fer II (FeCl2)
• solution de chlorure de fer III (FeCl3)
• solution d’ammoniac (NH3)
• eau distillée H2O
Produits :
• Magnétite (Fe3O4)
• Hydroxyde de Tétraméthylammonium NH4Cl : il joue le rôle de tensioactif.
L’eau en excès forme le suspensif, c’est-à-dire le liquide dans lequel la magnétite est en suspension. On
dire qu’il s’agit d’une suspension aqueuse.
PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL
•
Introduire 1,0 mL de solution de chlorure de fer II (FeCl2) de concentration 2,0
mol.L-1 dans un bécher de 100 mL à l’aide d’une pipette graduée.
•
Ajouter 4,0 mL de solution de chlorure de fer III (FeCl3)
•
Insérer un barreau aimanté pour agiter la solution
•
Avec une burette graduée, introduire 50,0 mL d’une solution d’ammoniac
(NH3) à une fréquence d’environ 2 gouttes par seconde.
On observe un précipité marron puis noir se former
•
Eteindre l’agitateur magnétique et récupérer le barreau magnétique à l’aide
d’un aimant
•
Mettre un aimant sous le bécher et laisser décanter
•
2 phases se forment : une aqueuse et une organique : vider la phase supérieure (aqueuse) tout en
veillant à garder la phase noire qui constitue le ferrofluide. Il peut être utile de conserver un aimant
sous le bécher afin d’éviter toute perte de matière.
•
Rincer à plusieurs reprises avec de l’eau distillée
•
Ajouter 2,0 mL d’hydroxyde de tétraméthylammonium dans le ferrofluide comme tensioactifs (on
peut aussi utiliser de l’acide citrique, de l’acide oléique ou de la lécithine de soja)
Expérience en vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=j-WowzrzgM0
APPLICATIONS DES FERROFLUIDES
Dans le domaine des biotechnologies
•
•
La Bioséparation : elle permet la récupération et la purification de protéines ainsi que la
séparation de cellules.
La méthode est basée sur l'introduction de microsphères de nanocristaux d'oxyde ferreux (oxyde de
Fer II) superparamagnétiques, d’une taille de 20-25nm, à une substance biologique comme l'ADN ou
les anticorps. Exposer les cellules à un champ magnétique déclenche le processus de séparation : les
cellules liées sont attirées par le champ magnétique et les cellules sélectionnées peuvent être extraites.
Diagnostic de résonance magnétique : il permet la détection de tumeurs.
Dans le domaine de la médecine :
•
Traitement des ulcères et des fistules
La méthode comprend l'insertion de ferrofluides dans la fistule et la fixation d'un aimant permanent à son
ouverture extérieure. La position fixe de ferrofluide scelle soigneusement la fistule et n'interfère pas avec le
processus de guérison.
• Destruction des cellules cancéreuses
Les chercheurs ont découvert que sous un champ magnétique, des particules magnétiques placées à
l'intérieur des cellules cancéreuses sont capables de rompre la membrane des cellules cancéreuses et ainsi de
les détruire.
Dans le domaine des technologies et de la mécanique :
• Les Hauts parleurs :
Les ferrofluides permettent d’améliorer le transfert thermique au sein des
enceintes audio de haute qualité, afin d’obtenir un son de haute performance et sans
surchauffe. L'air autour de la bobine de ces haut-parleurs conduit très mal la chaleur,
il est donc remplacé par du ferrofluide.
• Les amortisseurs :
Il est aujourd’hui envisageable de modifier les caractéristiques
des amortisseurs de voitures haut de gamme selon les conditions de route telles que
la vitesse, sous l'action d'un champ magnétique, ou plus utile, de créer des
amortisseurs antisismiques réglés sur la fréquence de résonance d'un bâtiment car la viscosité d'un ferrofluide
dépend du champ magnétique qu'il subit.
• Matériel informatique :
Les ferrofluides sont utilisés pour la lubrification et l’étanchéité des axes de moteur de disques durs en étant
introduits entre l'enroulement et l'aimant assurant la lubrification et empêchant les poussières de se glisser
dans l'interstice.
Dans le domaine de l’Art :
De nombreux artistes ont pris le parti d’exploiter les formes
géométriques en dents que prennent les ferrofluides sous l’action d’un
champ magnétique afin d’en faire des œuvres d’art qui sont même parfois
en mouvement. Parmi ces artistes on compte notamment la japonaise
Sachiko Kodama.
Voici quelques exemples de son travail à aller voir en vidéo :
https://www.youtube.com/watch?v=vM7FUeK9tF0
https://www.youtube.com/watch?v=821vXO9Ev04
Ci-dessous le lien pour aller voir une œuvre de Zelf Koelman
https://vimeo.com/116510462