un liquide attirant - Olympiades de Physique

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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
6) Comparatif
III. Propriétés magnétiques
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

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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 (exemple : 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, injection de
ferrofluides dans l’encre utilisée pour l’impression des billets de banque (certaines
parties des billets de 1 $ sont attirés par un aimant…), agent de contraste en IRM,
en cancérologie pour la technique d’hyperthermie magnétique.

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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).
En effet :
- l’expression de l’énergie thermique est donnée, pour un solide par : k
B
× T ; où k
B
est la constante
de Boltzmann 1,38 × 10
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J/K et T la température absolue (en K)
- L’expression de la force de gravitation est donnée par : m × g = ρ × V × g ; où ρ est la masse
volumique du ferrofluide (en kg/m
3
), g la constante de pesanteur (g = 9,81 m/s
2
) et V le volume de
la particule de ferrofluide (en m
3
)
Pour que ces deux interactions se compensent, il faut que :
k
B
× T ≈ ρ × V × g
Soit en considérant une particule sphérique de volume V = 4/3 × π × r
3
(avec ρ = 5,2 × 10
3
kg/m
3
pour la
magnétite à 20 °C = 293 K) :
ρ
Soit un ordre de grandeur compatible (en réalité, il faudrait tenir compte de la poussée d’Archimède du
liquide porteur et des forces de frottement visqueux).
Ces particules nanométriques doivent aussi être bien dispersées (pour qu’elles ne forment ps
d’agglomérats). De ce fait, il faut qu’il y ait un équilibre entre les forces de Van der Waals et les interactions
magnétiques dipôle-dipôle. Pour atteindre une telle stabilité colloidales, il
faut introduire des répulsions interparticulaires.
2) Protocoles expérimentaux
Afin de faire la synthèse des ferrofluides, nous avons utilisé différents
protocoles pour optimiser la stabilité du ferrofluide. Cependant, dans la
plupart de ceux-ci, on a suivi les mêmes premières étapes qui permettent
d’obtenir une suspension magnétique. C’est la seconde phase qui diffère au niveau des traitements. Nous
avons choisi de travailler 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
7,20g
T
Structure spinelle de la magnétique :
en bleu les ions oxyde O
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en cfc, en
rouge un site octaédrique et en vert
un site tétraédrique

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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.
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 deux
dernières 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
) et de ramener le pH à une valeur proche de 7 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 au cours du temps en milieu acide nitrique : la
magnhémite.
Aimant