Ferrofluidos

Si le acercan un imán a un vaso con agua no observarán que pase nada. Tampoco observarán nada si acercan el imán a un vaso con aceite, alcohol, y casi ningún fluido que conozcan. Y si están pensando en el único metal que es líquido a temperatura ambiente, temo decirles que no; el mercurio tampoco reaccionará a la presencia del imán (Si no me creen, hay un video un poco más abajo). Pero existe una clase de líquidos que a temperatura ambiente sí responden a los campos magnéticos y son atraídos por un imán. Se trata de los ferrofluidos. He estado jugando un poco con ellos últimamente, así que me dieron ganas de hablar de ellos.

(Antes que nada, un cacho de un vídeo sobre el mercurio donde se muestra que no responde a campos magnéticos. ) 

Un ferrofluido es un líquido que, en todo su conjunto, responde y se polariza a campos magnéticos. No son un líquido homogéneno, como el agua o el aceite. En realidad los ferrofluidos son un coloide y he ahí el secreto de porqué reaccionan a campos magnéticos.

Un coloide se trata de una mezcla en el que las partículas de una sustancia (llamada fase dispersa) se distribuyen uniformemente en otra (llamada medio dispersivo). Las partículas de la fase dispersa son muy pequeñas, tanto que no se pueden detectar con un microscopio óptico, pero se puede notar la presencia de ellas con un microscopio electrónico. De los tres estados de agregación de la materia (sólido, líquido y gaseoso), existen coloides en todas las combinaciones entre fase dispersa y medio dispersivo, a excepción de gas-gas.

En el caso de los ferrofluidos tenemos un coloide donde la fase dispersa es sólida y el medio dispersivo líquido. Si compramos imanes muy pequeños, los ponemos en cápsulas para que no se mojen y los dejamos caer en un líquido donde apenas floten, tendríamos una aproximación muy burda de un ferrofluido. Pero los imanes, incluso los más chicos son muy grandes y queremos un fluido que responda a campos magnéticos, pero que pueda pasar por una jeringa. Si lográramos obtener imanes muy pequeños, incluso mucho más pequeños que un grano de polvo… Pues sí se puede, y sin necesidad de utilizar algo tan complicado como la nanotecnología. Para un ferrofluido se utilizan compuestos que tengan iones de Hierro como la magnetita o la hematita, que se pueden obtenr en laboratorio a partir de otros compuestos de hierro; en particular la magnetita se obtiene haciendo reaccionar cloruro férrico y cloruro ferroso. Muy probablemente ya hayan oído antes de la magnetita. Fue el primer imán descubierto por la humanidad, pues los griegos observaron que existía una piedra que atraía objetos de metal.

El problema con estos compuestos es que no les gusta estar solitos y tienden a aglomerarse, por lo que si se les suelta en un líquido, en vez de distribuirse uniformemente, como quisiéramos que pasara para obtener un coloide, se agrupan formando grandes cúmulos.

Para evitar estas aglomeraciones, es necesario agregar un surfactante. El surfactante recubre las partículas y evita que se aglomeren. Es decir, el agregar un surfactante es colocarle las cápsulas a los pequeños imanes de magnetita. El ácido oléico es comúnmente utilizado.

Y una vez que tenemos encapsulados los imanes, sólo falta distribuirlos en el medio en el que queremos que se dispersen; en el líquido portador. Por ejemplo, el kerosene (o queroseno) puede actuar como medio dispersivo.

Ferrofluid poles

Ferrofluido cerca de los polos de un imán poderoso, en una superficie aceitosa.

Recapitulando, para un ferrofluido estable necesitamos: una partícula que responda al campo magnético (~10 nm), un agente surfactante que evite que las partículas se aglomeren y un líquido portador. Suena sencillo, pero se requiere algo más que una cocina para obtener un ferrofluido estable. El controlar el tamaño de la partícula y el evitar que se aglomeren son dos de los problemas encontrados. Por ejemplo, el surfactante tiende a descomponerse con el tiempo, haciendo que, después de un rato, las partículas se aglomeren, deshaciendo el coloide para dar paso a una suspensión. En la suspensión las fases se separan, por lo que el antes ferrofluido ya no responde como un conjunto a campos magnéticos, sino sólo unas partes de la sustancia lo hacen. ¿Y si se vuelve a agitar? No da resultado, porque por la aglomeración, el tamaño de la partícula ha aumentado. En este momento el ferrofluido ha muerto.

Eso es muy triste, pero un ferrofluido estable tarda algunos años en degradarse, por lo que podemos hablar, con toda tranquilidad, de algunas aplicaciones de los ferrofluidos.

Se utilizan en medicina, como agentes contrastantes para las resonancias magnéticas. Se utilizan como un disipador de calor, pues la respuesta magnpetica disminuye con la temperatura por lo que un elemento magnético a alta temperatura atraerá el ferrofluido frío y con un mecanismo adecuado, se puede enfriar dicho dispositivo. Se utilizan para reducir la fricción, entre un imán y una superficie. Se utilizan en otros dispositivos como selladores o en instrumetnos de medición.

Incluso se han utilizado para estudiar fenómenos en biología, que no tienen que ver con magnetismo. Sí, en efecto. En 1992 Stéphane Douady e Yves Couder dejaron caer gotas de un ferrofluido sobre otro líquido, expuesto a un campo magnético para explicar por qué muchas plantas como girasoles, piñas de pino etc. crecen en forma de espiral.

Por último, cabe mencionar que, aunque respondan a los campos magnéticos, y a pesar de que sus partículas sean compuestos con hierro, los ferrofluidos son materiales paramagnéticos. Es decir, sólo responden cuando existe un campo magnético externo. No se imantan, ni tienen memoria de que un imán ha pasado cerca de ellos, a diferencia de, por ejemplo los clips (si pegas un imán a un clip y lo retiras, puedes usar el clip para atraer otros clips). Pero aún así, un fluido que reacciona a campos magnéticos es padre y, como ya vimos tiene muchas aplicaciones. Para que vean lo divertido y padre que puede ser que un fluido reaccione ante campos magnéticos, he aquí un video de una ¡Escultura con un ferrofluido!

Les haya gustado espero.

Esta entrada participa en la Edición XXXI del Carnaval de la Física, albergada en el blog Imperio de la Ciencia.

Por lo vivido con el ferrofluido, le dedico esta entrada a Alberto y Ana, compañeros de equipo de laboratorio. :)

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