Ferrofluide, un liquide attirant

FERROFLUIDE : UN LIQUIDE ATTIRANT
I. Synthèse chimique de ferrofluides
1) Principe et enjeux
2) Protocoles expérimentaux
3) Observations au microscope
II. Champs magnétiques : moteurs des ferrofluides
1) Aimant
2) Bobine
3) Bobines de Helmholtz
4) Solénoïde
5) Electroaimant
III. Champs magnétiques : moteurs des ferrofluides
1) Définition des milieux magnétiques
2) Susceptibilité magnétique
3) Aimantation
IV. Anisotropie optique
1) Biréfringence
2) Dispositif expérimental
3) Loi de Malus
4) Résultats expérimentaux

Introduction :
Un ferrofluide ou liquide magnétique est une suspension de particules ferromagnétiques de taille
nanométrique dans un liquide porteur.
Les ferrofluides sont apparus dans la deuxième moitié du XX
ème
siècle. Ils n'existent
pas à l'état naturel, il a donc fallu les synthétiser. La première approche a été
réalisée par Wilson en 1779 qui a préparé un fluide constitué de fines particules de
fer dans de l'eau. Cependant, on ne peut parler d'une réelle synthèse de ferrofluide
qu'à partir de 1963 où Stephen Papell (ci-contre), chimiste de la NASA, réalisa un
mélange de poudre de magnétite Fe
3
O
4
à du kérosène (liquide porteur) en présence
d'acide oléique (tensioactif). Il broya le liquide pendant 10 mois, dans le but
d'obtenir des nanoparticules. L'objectif était de fabriquer un liquide de propulsion
pour fusées en absence de gravité.
Afin de comprendre ce qu’est un ferrofluide, il est indispensable de préciser la définition des 3 grandes
familles de composés magnétiques.
Tout d’abord, le diamagnétisme est une propriété générale de la matière atomique, qui provoque
l'apparition d'un champ magnétique opposé à un champ magnétique appliqué. Cet effet général, valable
pour toute matière (et particulièrement visible sur le bismuth), est cependant d’intensité limitée et masqué
par les éventuelles autres propriétés de paramagnétisme ou ferromagnétisme.
Le paramagnétisme désigne 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.
Sans excitation magnétique extérieur Excitation magnétique peu intense Excitation magnétique intense
L’aimantation qui en résulte demeure cependant très faible car l’effet de l’agitation thermique qui oriente
aléatoirement les moments magnétiques reste prépondérant (ions fer III Fe
3+
, dioxygène O
2
).
Enfin, contrairement au deux types de magnétisme définis, le ferromagnétisme est caractérisé par une
aimantation spontanée (plus ou moins intense) et une réponse très intense à une excitation magnétique.
Cependant, au-delà d’une certaine température propre à chaque matériau et
appelée température de Curie, il existe une transition ferromagnétique →
paramagnétique. Nous reviendrons sur cette dernière famille lors de l’étude des
propriétés magnétiques.
L’intérêt de ces fluides réside dans l’association des propriétés des liquides, des
propriétés magnétiques ainsi que de certaines propriétés optiques. Cela lui confère
de nombreuses possibilités d’application : amortisseurs de vibrations, joints
étanches des disques durs ou des haut-parleurs électrodynamiques, impression des
billets de banque (les billets de 1 $ sont attirés par un aimant…), agent de contraste
en IRM, en cancérologie pour la technique d’hyperthermie magnétique.

I. Synthèse chimique de ferrofluides
1) Principe et enjeux
La suspension doit être colloïdale : c'est-à-dire que les effets de gravitation doivent pouvoir être négligés
devant ceux d’agitation thermique. : les particules d’un ferrofluide stable ne précipitent pas, le liquide doit
pouvoir se déformer sous l’action d’un champ magnétique tout en restant monophasique. Il en résulte que
les particules doivent être de petites dimensions (qques dizaine de nm au maximum) et bien dispersées. En
effet, il faut qu’il y ait un équilibre entre les forces de Van der Waals et les interactions magnétiques dipôle-
dipôle. De même, pour atteindre une stabilité colloidales, il faut introduire des répulsions interparticulaires.
2) Protocole expérimental
Afin de faire la synthèse des ferrofluides, nous avons utilisé différents protocoles pour atteindre une
meilleure stabilité. Cependant, dans la plupart de ceux-ci, on a suivi les mêmes premières étapes qui
permettent d’obtenir une suspension magnétique, mais diffèrent au niveau de leurs traitements ultérieurs.
On a travaillé sur la coprécipitation des ions fer (II) et fer (III) en milieu basique conduisant à un composé de
valence mixte : la magnétite Fe
3
O
4
(s). Lorsque la synthèse est réalisée en présence d’air, ce composé de
type spinelle présente des lacunes dans le réseau octaédrique des cations.
Protocole type : synthèse du ferrofluide.
On va utiliser le couple Fe (II) /Fe (III) pour obtenir des phases solides.
Ainsi dans une coupelle, peser 7.20g de chlorure de fer II : FeCl
2
, 4 H
2
O
Les placer dans un bécher de 250 mL et ajouter ensuite 20 mL d’eau
distillée puis 4mL d’acide chlorhydrique concentrée (gants et lunettes
sous la hotte !). Agiter jusqu’à dissolution complète du chlorure ferreux.
Dans le même bécher, ajouter 29mL de solution de chlorure de fer (III) FeCl
3
, 6H
2
O (à
27%) et compléter à 100mL avec de l’eau distillée.
Sous la hotte, avec gants et lunettes et sous agitation, ajouter 40 mL de solution
d’ammoniac concentré (20 %). Attention aux vapeurs.
7,20g
T

Couper l’agitation et mettre le précipité à décanter sur des plaques magnétiques. Eliminer le surnageant,
puis laver par ajout de 40 mL d’eau. Laisser agiter encore 10 minutes de plus, et reprendre les mêmes
étapes. Il s’agit en fait d’éliminer les précipités non magnétiques (hydroxydes de fer (II) et (III) : Fe(OH)
2
et
Fe(OH)
3
) pour enfin obtenir une suspension magnétique.
Pour obtenir un liquide stable, il faut parvenir à disperser les particules synthétisées dans un milieu soit
organique soit aqueux : acide ou basique. Nous avons opté pour la solution en milieu acide en raison de la
disponibilité des produits chimiques.
Dans un premier temps, d’après la littérature (René Massart), un traitement à l’acide perchlorique à 2
mol/L a été réalisé afin de disperser le ferrofluide. Après séparation des phases solides et liquides, on a
obtenu nos premiers liquides magnétiques stables mais dilués.
Pour augmenter la stabilité de liquides magnétiques, on est entré en contact avec Madame Cabuil du
laboratoire PHENIX de l’Université Pierre et Marie Curie qui nous a fourni un protocole de traitement
ultérieur pour obtenir un ferrofluide aqueux stable en milieu nitrique.
On réalise un premier traitement des particules magnétiques obtenues précédemment dans 80 mL de
solution d’acide nitrique à la concentration c = 2 mol/L. On agite pendant 10 minutes. Ensuite on prépare
80 mL de solution de nitrate de fer (III) Fe(NO
3
)
3
à la concentration c = 0,3 mol/L que l’on porte à ébullition
avant de la verser sur le précipité magnétique. On maintient le chauffage pendant 30 minutes. Cette étape
permet l’oxydation de la magnétite Fe
3
O
4
en maghémite Fe
2
O
3
. Après refroidissement, on lave le précipité
3 fois à l’acétone et 2 fois à l’éther. Enfin on ajoute de l’eau et on élimine les restes d’éther par chauffage.
Tableau d’avancement de la réaction :
Remarque : une autre tentative pour réaliser un ferrofluide en milieu
organique a consisté à récupérer, en démontant une cartouche
d’imprimante laser (ci-contre), l’encre à ferrofluide (type MICR : magnetic
Ink Character Recognition) et la mélanger à de l’huile végétale. On a pu
réaliser nos première mesures sur ce liquide mais en raison du manque
d’information sur sa composition, nous sommes ensuite rapidement
passé à l’étude du composé aqueux stable.
Aimant

3) Observation au microscope
On remarque ici la presence de gros agglomerats, ce qui caracterise un ferrofluide non stable.
II. Les champs magnétiques : moteurs des ferrofluides
Notre but est ici d’étudier les différents dispositifs permettant de réaliser des champs magnétiques afin de
pouvoir les utiliser sur les ferrofluides synthétisés. On s’est ainsi intéressé : aux aimants, pratiques car
générant des champs assez intenses localement mais peu contrôlables puis aux dispositifs générant des
champs magnétiques grâce à des courants électriques : bobines de Helmholtz, solénoïdes et électroaimant.
Les champs magnétiques sont mesurés à l’aide d’un teslamètre à sonde à effet Hall relié à une interface
d’acquisition. Le teslamètre permet la mesure de grandeurs scalaires : les composantes B
z
suivant l’axe du
teslamètre et B
x
perpendiculaire à l’axe du teslamètre.
Gros agglomérats
Particules de
ferrofluide
Observation au microscope optique d'un
ferrofluide (x100)
Observation au microscope optique d'un ferrofluide soumis à un champ magnétique crée par un
aimant. Le liquider suit les lignes de champs.