Ferrofluidi

I ferrofluidi (FF) sono fluidi magnetici che hanno la caratteristica di essere sospensioni colloidali di particelle magnetiche molto fini di circa 10 nm e si distinguono dai fluidi magnetoreologici, che sono sospensioni costituite da particelle magnetiche più grandi, solitamente meno stabili.

Infatti la dimensione più piccola delle particelle nei ferrofluidi si traduce in una maggiore stabilità della sospensione rispetto a quelli magnetoreologici, che porta a un tempo di sospensione prolungato.

I ferrofluidi sono otticamente isotropi ma, in presenza di un campo magnetico esterno, mostrano birifrangenza indotta. Sono costituiti da nanoparticelle di ossido di ferro (IONP), un tensioattivo generalmente di natura polimerica che riveste gli IONP magnetici per prevenirne l’agglomerazione, un liquido vettore che sospende gli IONP e un liquido acquoso o non acquoso.

La combinazione dei tre componenti dà come risultato una sospensione colloidale stabile di nanoparticelle ferromagnetiche. La fase magnetica di un ferrofluido è comunemente una miscela di magnetite (Fe₃O₄ ) e maghemite (γ-Fe₂O₃).

Oltre alla magnetite e alla maghemite, vengono utilizzati anche composti ferromagnetici composti da una miscela di ferro e metalli con numero di ossidazione +2 come il cobalto, zinco, nichel e manganese. I ferrofluidi furono inizialmente sviluppati negli anni ’60 presso la NASA da Stephen Papell e utilizzati come sigilli liquidi attorno all’albero rotante nei satelliti

Sintesi dei ferrofluidi

Per ottenere i ferrofluidi è necessario produrre gli ossidi di ferro le cui dimensioni e proprietà magnetiche determinano la qualità di un ferrofluido influenzandone rispettivamente il magnetismo e la stabilità. Esistono vari metodi di sintesi ma quelli più utilizzati prevedono, per la loro facilità e affidabilità, la decomposizione termica e la coprecipitazione.

La decomposizione termica avviene tramite la decomposizione dei precursori del ferro, e, in particolare, ferrocarbonili e composti organometallici come il Tris(acetilacetonato) ferro (III). Il precursore più comune è il ferro pentacarbonile [Fe(CO)₅ ], un composto relativamente tossico che, quando decomposto in un ambiente riducente, come in presenza di un flusso di gas inerte, produrrà magnetite. Questo metodo presenta molti vantaggi rispetto ad altri metodi di sintesi, e, in particolare, il controllo sulla distribuzione dimensionale delle particelle.

La coprecipitazione si basa sulla reazione tra composti di ferro (II) come il sale di Mohr, il cloruro di ferro (II), il solfato ferroso e alcuni sali dello stato di ossidazione +2 della prima serie di metalli di transizione e ferro (III) come il solfato ferrico ammonico, il cloruro di ferro (III) e il nitrato ferrico all’interno di un bagnomaria dopo l’aggiunta di una base.

La sintesi di nanoparticelle di ossido di ferro tramite coprecipitazione in condizioni inerti, prevede la combinazione di una fonte di Fe(II) con due parti di una fonte di ferro(III) in un bagno d’acqua.

Dopo l’aggiunta di Fe(II) e ferro(III), il pH deve essere aumentato lentamente mediante l’aggiunta di una base, come, ad esempio, idrossido di sodio o ammoniaca con formazione di magnetite:

Fe²⁺ + 3 Fe³⁺ + 8 OH^– → Fe₃O₄ + 4 H₂O

L’ossidazione della magnetite in maghemite avviene grazie ad agenti atmosferici o altri processi che convertono gli ioni Fe²⁺ in ioni Fe³⁺ con formazione di  un prodotto contenente sia magnetite che maghemite.

Stabilità dei ferrofluidi

La stabilità dei ferrofluidi dipende dall’affinità tra il tensioattivo e il liquido vettore, dal metodo di sintesi e dalle dimensioni delle nanoparticelle. I tensioattivi utilizzati frequentemente per i mezzi acquosi sono acido oleico, silice, chitosano, alcool polivinilico e acido acrilico.

Il tensioattivo più comunemente usato è l’acido oleico in cui è presente una coda idrofobica che consente la sospensione all’interno di liquidi vettore non polari. Quando la sospensione deve avvenire in liquidi polari, vengono utilizzati tensioattivi che contengono code idrofile come l’acido acrilico o il chitosano. I liquidi sono in grado di regolare le proprietà dei ferrofluidi come viscosità, tensione superficiale, pressione di vapore e stabilità ad alte o basse temperature.

I principali liquidi vettori sono acqua, oli minerali, liquidi ionici, esteri, idrocarburi, chitosano, olio di cherosene, olio d’oliva, oli sintetici e semisintetici e oli lubrificanti. La stabilità dei ferrofluidi risulta dall’equilibrio tra forze attrattive, interazioni dipolo-dipolo e forze repulsive. Quando le particelle in un ferrofluido non si depositano per un lungo periodo e non subiscono un fenomeno di separazione di fase se viene applicato un forte campo magnetico, possono essere considerate stabili.

Applicazioni dei ferrofluidi

Per le loro proprietà quali bioaffinità, citocompatibilità, dimensioni ridotte, superparamagnetismo e rapida risposta ai campi magnetici i ferrofluidi sono utilizzati in campo biomedico per la loro capacità di migliorare i risultati della risonanza magnetica, come biosensori per rilevare tessuti o organi biologici e, per la loro caratteristica di attraversare le barriere biologiche nella somministrazione dei farmaci. I ferrofluidi si sono rivelati efficaci anche come agenti antimicrobici e antifungini.

Le nanoparticelle di ossido di ferro hanno elevata area superficiale e capacità di adsorbimento e possono rimuovere contaminanti dagli effluenti acquosi come colore, torbidità, metalli, materia organica e batteri dalle acque e quindi possono essere separate dalla soluzione sfusa con un campo magnetico esterno e hanno attirato l’attenzione dei ricercatori nel trattamento delle acque.

I ferrofluidi si sono rivelati efficaci nel migliorare la capacità termica, la conduttività termica e la viscosità per controllare il trasferimento di calore e il movimento delle particelle applicando campi magnetici esterni dimostrando potenzialità nella bioingegneria, nel campo dell’ingegneria termica, nell’elettronica e nella raccolta di energia.

Inoltre, i ferrofluidi sono stati utilizzati per il controllo delle vibrazioni torsionali nei motori ad alta velocità e nelle strutture poiché non precipitano in condizioni ambientali.