Come fare esperimenti con il ferrofluido

Il ferrofluido è una delle cose più belle da vedere in azione, in quanto cambia forma in modo spettacolare e imprevedibile quando incontra un campo magnetico. Si tratta infatti di una sospensione colloidale di ferro, che contiene ferro e un liquido, nonché una specie di olio, poiché sappiamo tutti cosa succede quando si mescolano acqua e ferro. Sebbene i ferrofluidi industriali siano creati attraverso complesse reazioni chimiche, oggi realizzeremo un nostro ferrofluido utilizzando materiali e procedure semplici. Dopodiché potremo divertirci con dei simpatici esperimenti aventi per protagonista il ferrofluido.

I ferrofluidi sono dispersioni colloidali di particelle ferromagnetiche (cioè particelle che possono essere magnetizzate permanentemente da un campo magnetico esterno) estremamente piccole, come cobalto, nichel o ferro, sospese in un liquido idrocarburico. Le particelle vengono rivestite con un tensioattivo per evitare che si aggreghino. I ferrofluidi sono gli unici materiali magnetici in forma liquida.

I ferrofluidi sono in pratica costituiti da piccoli frammenti magnetici di ferro sospesi nell’olio (spesso cherosene) con un tensioattivo per prevenire la formazione di grumi (di solito acido oleico, che si trova nell’olio di oliva in percentuali del 60-80%). Il fluido è relativamente facile da realizzare a casa, quindi possiamo crearcelo da noi, oppure può essere acquistato online (ad esempio qui).

Alcune delle tante confezioni di ferrofluido in vendita online.

Storia e applicazioni del ferrofluido

È stato un ingegnere della NASA di nome Steve Papell nei primi anni ’60 a inventare il ferrofluido (che è al tempo stesso un liquido e un solido), mentre sperimentava diversi metodi per controllare il liquido in condizioni di spazio a gravità zero. La sua idea era che se aggiungi queste nanoparticelle magnetiche al liquido, puoi spostarle a gravità zero con un campo magnetico.

Esistono molte importanti applicazioni commerciali per i ferrofluidi: gli altoparlanti e i dischi rigidi sono senza dubbio fra le più comuni. Il fluido oleoso impedisce ai detriti di entrare nei dischi rigidi quando viene posizionata una piccola quantità tra i magneti e l’albero. Nel caso degli altoparlanti, inoltre, i ferrofluidi rimuovono il calore dalle bobine vocali e aiutano a smorzare il movimento del cono.

Il ferrofluido ha una bassa resistenza al flusso, quindi può funzionare come una guarnizione O-ring liquida, mantenuta in posizione con magneti permanenti. Le guarnizioni in ferrofluido impediscono alle particelle di polvere di entrare nei meccanismi del disco rigido e di schiantare la testa del disco nell’hard disk. Da quando è stato sviluppato, il ferrofluido viene ora utilizzato in una serie di applicazioni pratiche come quelle in precedenza descritte e anche come sostanza sigillante comune per uso industriale.

Raffreddamento dei grandi altoparlanti Hi-Fi con il ferrofluido.

Il ferrofluido possiede proprietà uniche perché imita sia un liquido che un solido con il suo magnetismo. L’unicità di ferrofluido lo rende una grande fonte di ispirazione per esperimenti scientifici informativi e interessanti. Di seguito, è riportata la procedura per creare il ferrofluido e un semplice esperimento da utilizzare per esplorare le proprietà del magnetismo e dei campi magnetici.

Come realizzare il ferrofluido da soli

Vi sono tre modi per realizzare il ferrofluido. Il primo e più semplice è l’utilizzo di un toner magnetico per stampanti laser MICR (infatti, nota che non tutti gli inchiostri delle moderne stampanti laser sono magnetici). Basta acquistare un kit di ricarica e aggiungere un po’ di olio vegetale. L’uso di un olio a bassa viscosità come cherosene o olio biodiesel insieme a un tensioattivo (acido citrico, acido oleico, etc.) può migliorare ulteriormente la qualità del ferrofluido.

Il toner della stampante laser contiene una sostanza chiamata magnetite, che è ossido di ferro misto (Fe₃O₄). Ha la proprietà di attrazione magnetica. La polvere del toner non va assolutamente respirata, quindi indossa una maschera protettiva e guanti, ed usa la massima cautela nel non sollevare polvere. Dopo le operazioni, pulisci tutte le superfici e il pavimento con un panno umido.

Creazione del ferrofluido con il toner magnetico di una stampante laser MICR.

Il secondo modo è tramite la conversione del cloruro ferrico. Gli appassionati di elettronica spesso tengono a casa il cloruro ferrico per mangiare il rame, il che rende possibile la realizzazione di un circuito stampato fai-da-te. Può essere acquistato facilmente su Internet, ad esempio qui. Tieni presente che il cloruro ferrico è altamente corrosivo e acido, quindi maneggialo con cura e indossando dei guanti.

La procedura è la seguente. Mescola il cloruro ferrico con acqua. Aggiungi della lana d’acciaio e mescola fino a ottenere un verde brillante. Utilizza un filtro da caffè come filtro. Aggiungi altro cloruro ferrico. Aggiungi ammoniaca. Riscalda per un’ora fino a ebollizione (in uno spazio ben ventilato). Lascia raffreddare la soluzione. Aggiungi cherosene. Versa il kerosene per scartare l’acqua.

Il terzo e ultimo modo è tramite il riciclaggio dei nastri di vecchie cassette audio. In pratica, si usa l’acetone per estrarre le particelle di ferro dai vecchi nastri a cassetta. Avrai bisogno di circa 10 nastri a cassetta, un po’ di acetone, un secchio resistente agli agenti chimici (questo è molto importante), pellicola trasparente, olio vegetale e magneti. I magneti terrestri sono la scelta migliore perché i magneti al neodimio non sono altrettanto efficaci nel rimuovere l’ossido ferrico dai nastri.

Il materiale occorrente, oltre all’acetone, per creare il ferrofluido nel terzo modo.

Per svolgere le operazioni che seguono lavora all’aperto, perché l’inalazione di acetone non è una buona cosa. Smonta le cassette e getta i nastri nel secchio resistente agli agenti chimici. Mescola con l’acetone, copri il recipiente con una pellicola di plastica e lascia riposare per un’ora. Al tuo ritorno avrai una bella polvere nera nella parte inferiore del secchio e i tuoi nastri appariranno chiari ora.

Immersione dei nastri nell’acetone all’interno di un recipiente.

Avvolgi il tuo magnete in un involucro di plastica e spingi i nastri su un lato. Raccogli l’ossido ferrico con il magnete e posiziona la polvere in un piccolo contenitore sul lato per asciugare. Una volta che è asciutto, aggiungi il tuo olio vegetale (circa 1,5 cucchiaini di olio vegetale per 1 cucchiaino di ossido ferrico) e poi hai il tuo ferrofluido pronto per essere usato nei tuoi esperimenti.

Tradizionalmente, il ferrofluido è costituito da particelle di ossido di ferro nanometriche (che sono davvero piccole) Sospese in un liquido oleoso. Il ferrofluido che puoi produrre usando della limatura di ferro o dei grani ferrosi (ad es. trascinando una calamita nella sabbia) non ha particelle di ferro nanometrica o una base oleosa, ma agisce in modo molto simile al comportamento del ferrofluido.

Simil-ferrofluido fatto con la limatura di ferro.

Come visualizzare un campo magnetico

In questo semplice esperimento che puoi condurre anche a casa, le particelle ferromagnetiche si allineano alle linee del campo magnetico attorno a un magnete, rendendo così facilmente visibile il campo magnetico. Il materiale occorrente per eseguire l’esperienza è il seguente:

  • Ferrofluido
  • Un tubo o flacone vuoto con tappo
  • Soluzione tensioattiva
  • Magnete (meglio se al neodimio)
  • Pipetta
  • Acqua

La procedura da seguire è la seguente: Passo 1: Riempi il tubo per tre quarti d’acqua e aggiungi 2-5 gocce di soluzione tensioattiva (tensioattivo). Passo 2:  Usa con cautela la pipetta per aggiungere qualche goccia di ferrofluido (2 gocce di ferrofluido per ogni 3 gocce di tensioattivo), che si depositerà sul fondo. Passo 3: Chiudi saldamente il tubo o flacone. Passo 4: Porta il magnete vicino al ferro fluido e osserva cosa succede.

Un magnete al neodimio avvicinato a un flacone con ferrofluido fai-da-te.

Mentre le particelle cercano di allinearsi con il campo magnetico, si forma una tipica figura a “istrice”, con le spine dell’istrice che rappresentano le linee del campo magnetico (vedi le immagini). La tensione superficiale dei fluidi e la gravità contrastano il campo magnetico, con il risultato che delle strutture ordinate vengono create nel liquido come reazione alle tre forze.

A questo punto prova a spostare il ferrofluido attraverso l’acqua con l’aiuto del magnete. A seconda che il magnete sia tenuto parallelo o verticalmente alla superficie del ferrofluido, l’orientamento del campo magnetico cambia e, di conseguenza, cambia l’orientamento del fluido.

Agita delicatamente il tubo per disperdere il ferrofluido nell’acqua. Poiché le ferroparticelle non si dissolvono, alla fine si depositano sul fondo. Puoi accelerare questo processo con l’aiuto di un magnete, osservando meravigliosi effetti. Per raggiungere questo obiettivo, trascina il magnete oltre il lato del tubo rapidamente e di nuovo via. In questo modo, acceleri i ferrofluidi e produci strisce, nuvole e così via.

Alcune tipiche strutture creabili con un ferrofluido e un magnete.

Ora versa una piccola quantità di ferro fluido in una capsula di Petri, quanto basta per coprire il fondo del suo piatto. Quindi sollevare la capsula di Petri e avvicina da sotto un potente magnete. Si formeranno di nuovo delle punte. Ora rimuovi il magnete e posizionare un centesimo al centro della capsula di Petri. La moneta affonderà, ma quando si tiene il magnete sotto il piatto verrà sollevata.

Se il ferrofluido non crea i picchi e le valli che ti aspettavi dalle immagini, potresti aver bisogno di aggiungere meno olio. Più sottile è il ferrofluido, meno forme definite avrai con il magnete. Inoltre, assicurati di utilizzare un magnete al neodimio o un altro magnete alle terre rare. Questi sono potenti e producono effetti molto migliori rispetto ai magneti normali (ad es. di altoparlante).

Il ferrofluido fra ricerca di frontiera e arte

Il futuro del ferrofluido è eccitante: gli scienziati stanno studiando i modi in cui il ferrofluido può uccidere le cellule tumorali, combattere le infezioni resistenti ai farmaci e persino aiutare i neuroni a comunicare tra loro. Una possibile futura applicazione medica potrebbe essere un ferrofluido iniettabile che potrebbe essere concentrato in un punto del corpo con un campo magnetico esterno. Il ferrofluido potrebbe fornire farmaci o agire come agente di contrasto per la risonanza magnetica.

Ma a volte la fisica imita l’arte. Un laureato in ingegneria presso il MIT, C. Lorenz, ha posizionato una goccia di un ferrofluido tra due lastre di vetro ravvicinate, ha applicato un campo magnetico verticale costante, dopodiché ha aggiunto un campo magnetico rotante orizzontale producendo l’interessante disegno a spirale mostrato nel primo gruppo di foto (dall’alto verso il basso a sinistra).

Sequenza di strutture create da Lorenz con il ferrofluido con una serie di campi magnetici applicati (dall’alto in basso nella prima serie a sinistra) e poi con gli stessi campi applicati in ordine inverso (dall’alto in basso nella seconda colonna da sinistra delle quattro). 

Ma poi Lorenz ha invertito l’ordine dei campi applicati e ha visto uno schema (dall’alto verso il basso a destra), che assomigliava all’arte dei nativi americani, un risultato completamente inaspettato. Un video di questa trasformazione ha conquistato un posto nella Divisione annuale APS di Fluid Dynamics Gallery di Fluid Motion e può essere trovato su YouTube digitando “ferrohydrodynamics” o visto direttamente cliccando qui.

Nel primo esperimento mostrato nel suo video, Lorenz ha applicato un campo magnetico verticale da 100 Gauss DC a una cella di Hele-Shaw contenente una goccia di ferrofluido. Ciò fatto sì che la goccia assumesse  la struttura a punta. Ha poi aggiunto un campo magnetico di 20 Gauss, 25 Hertz che ruota in senso orario sul piano orizzontale. Il risultato: il ferrofluido si è trasformato lentamente in una spirale.

Quando Lorenz eseguì l’esperimento in ordine inverso, applicando prima il campo rotante, poi il campo verticale da 100 Gauss DC, sorprendentemente la goccia di ferrofluido si è trasformata in qualcosa di completamente diverso: una nuova forma simile a protozoo. In pratica, Lorenz ha obbligato il ferrofluido a subire qualcosa di analogo a un cambiamento di fase.

Creazione artistica che usa ferrofluido con magneti permanenti sottostanti.

Da questo lavoro potrebbero emergere possibili applicazioni di ferrofluidi su macchine minuscole, su scala di micrometri o nanometri: i sistemi MicroElettroMeccanici e NanoElettroMeccanici (MEMS e NEMS). A differenza dei campi elettrici, i campi magnetici non possono produrre scintille, quindi potrebbero fornire un buon modo per produrre micro e nano-macchine più affidabili.

AVVERTENZE: I ferrofluidi devono essere maneggiati con grande cura e in un ambiente pulito perché lasciano macchie permanenti. Indossa un camice da laboratorio, guanti e occhiali protettivi. Se la pelle viene a contatto con un ferrofluido, lava la zona con sapone. Conserva i ferrofluidi in un contenitore sigillato in ogni momento per evitare l’evaporazione. Il ferrofluido e i materiali sporchi della sostanza devono essere smaltiti come rifiuti pericolosi o in un punto di raccolta, e non versati nel lavandino.