IJzer, nikkel en kobalt blijven plakken aan een magneet. We zeggen dat ijzer, nikkel en kobalt ‘ferromagnetische materialen’ zijn. Magnetisch zoals ijzer. De atomen in magnetische materialen zijn allemaal kleine magneetjes die we ‘magnetische dipolen’ noemen. Bij ferromagneten zijn deze elementaire magneetjes uitgelijnd in magnetische domeintjes. Binnen zo’n magnetisch domein staan alle elementaire magneetjes dezelfde kant op. In de afbeelding is een dipool getekend als een pijltje en een domeintje als een groepje pijltjes die dezelfde kant op wijzen. Gewoonlijk wijzen de domeinen een willekeurige kant op en heffen elkaars magnetische werking op. IJzer is daardoor geen permanente magneet.
Wanneer je een magneet bij een stuk ijzer houdt, richten de magnetische dipolen in verschillende domeinen zich allemaal wél uit in dezelfde richting. Daardoor ontstaat er een sterk magneetveld in het stuk ijzer: het ijzer wordt magnetisch en wordt aangetrokken tot de magneet. De magneet trekt het ijzer aan, daardoor wordt het ijzer ook magnetisch en trekt het de magneet weer aan.
Maar wat gebeurt er wanneer je ijzer smelt en het bij een magneet houdt. Helemaal niets. IJzer verliest zijn ferromagnetische eigenschappen rond de 800 ºC, maar smelt pas boven de 1500 ºC. Dat geldt helaas ook voor nikkel, kobalt en andere magnetische materialen zoals magnetiet (Fe3O4) of maghemiet (γ-Fe2O3). Echte vloeibare magneten bestaan dus niet. Super jammer.
Maar scheikundigen zijn niet voor één gat te vangen. Een zogeheten ‘ferrofluid’ komt goed in de buurt van een vloeibare magneet. Een ferrofluid is een dispersie (oplossing van vaste deeltjes) van magnetische nanodeeltjes in een vloeistof. Deze nanodeeltjes (van bijvoorbeeld maghemiet) zijn ongeveer 10 nm groot en bevatten maar één enkel magnetisch domein. Ze zijn daardoor permanent magnetisch. Een magneet in de buurt van een ferrofluid zal de magnetische nanodeeltjes aantrekken en de vloeistof blijft tussen de nanodeeltjes plakken.
Om je een idee te geven van hoe klein deze nanodeeltjes zijn: de mensenhaar hieronder is ongeveer 0.05 mm (50 µm) dik. De bolletjes zijn SiO2-colloiden van ongeveer 0.001 mm (1 µm). De maghemiet nanodeeltjes zijn nog een factor 100 kleiner (10 nm, 0.01 µm of 0.00001 mm).
Er zijn allemaal wilde ideeën voor toepassingen van ferrofluids, waar we natuurlijk uren over zouden kunnen praten. Wat ik wél de moeite waard vind om te laten zien is dit kunstwerk van Sachiko Kodama. Het bestaat uit twee kegels en een bak met ferrofluid. De kegels zijn elektromagneten en op die manier zijn de ferrofluids te manipuleren.
Ben je nou benieuwd naar hoe je een ferrofluid kan maken en zit je nog op de middelbare school? (Pas op, nu volgt sluipreclame!) Dan kan je naar de website van de Universiteit Utrecht gaan om je aan te melden voor een masterclass colloïdchemie. Je leert in een kort weekeind over colloïden, ferrofluids, hoe het is om te studeren en er is een practicum.
Check je later!
Mark
NB: Haar en foto zijn eigendom van dr. Ben Erné van de vakgroep Fysische en Colloid Chemie van de Universiteit Utrecht.