Ferrofluido

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I ferrofluidi (a volte indicati come liquidi magnetici) sono sospensioni colloidali di nanoparticelle magnetiche, rappresentano una classe speciale di fluidi magnetici e sono fluidi fabbricati consistenti in dispersioni di nanoparticelle magnetizzate in una varietà di vettori liquidi non magnetici. Sono stati originariamente inventati in modo indipendente all’incirca nello stesso periodo nei primi anni ’60 presso i Lewis Laboratories della NASA, e anche dal Dr. R. E. Rosensweig et al. presso AVCO Space Systems. Tipicamente, le particelle all’interno di tali sospensioni colloidali hanno un diametro di circa 10 nanometri (nm) e sono sospese in acqua o olio.

ferrofluido

Sono stabilizzati contro l’agglomerazione mediante l’aggiunta di un monostrato di tensioattivi sulle particelle. In assenza di un campo magnetico applicato, le nanoparticelle magnetiche sono orientate in modo casuale, il fluido ha magnetizzazione netta nulla, e la presenza delle nanoparticelle fornisce un’alterazione tipicamente piccola alle proprietà del fluido come la viscosità e la densità. Quando viene applicato un campo magnetico sufficientemente forte, il ferrofluido scorre verso le regioni del campo magnetico, le proprietà del fluido come la viscosità sono alterate e l’idrodinamica del sistema può essere significativamente modificata.

Dal primo successo nella produzione di ferrofluidi stabili nei primi anni ’60 (Papell 1964), il campo della ricerca sui ferrofluidi si è sviluppato rapidamente in diversi rami:

  • Fisica: legata alla descrizione e caratterizzazione fondamentale.
  • Chimica: come base per la preparazione dei ferrofluidi.
  • Ingegneria: per preparare e fornire applicazioni.

Il campo della ricerca sui ferrofluidi è relativamente giovane rispetto alle indagini che sono state fatte nella dinamica dei fluidi in generale. Il famoso libro “Ferrohydrodynamics” di Rosensweig 1985 è uno dei libri di testo standard in questo campo che deve essere menzionato qui. Copre varie aree in questo campo di ricerca, sintesi e proprietà dei fluidi magnetici, basi della teoria ferroidrodinamica, idrodinamica nei ferrofluidi, così come problemi e applicazioni.

Tuttavia, il termine ferroidrodinamica è stato stabilito per primo da Neuringer e Rosensweig 1964. Questo include la descrizione continua del comportamento del flusso dei fluidi magnetici in presenza di campi magnetici. Più tardi Shliomis 1972 sviluppò una teoria che includeva i risultati sperimentali degli effetti magnetovisivi di Rosensweig et al. 1969 e McTague 1969. Inoltre è da menzionare il libro “Magnetic Fluids” di Blumes et al. 1997 che si concentra sulla reologia dei ferrofluidi in modo più dettagliato, includendo anche la discussione teorica dell’effetto magnetoviscoso, la variazione della viscosità rotazionale della velocità di taglio, e molti altri.

In questo contesto va menzionato anche il precedente lavoro di Blumes et al. 1986, che nonostante sia dedicato principalmente ai fluidi conduttori e all’azione delle forze di Lorenz, chiarisce anche gli effetti del trasferimento di calore e massa nei ferrofluidi. L’applicazione dei ferrofluidi e dei fluidi magnetici in generale è riassunta nei libri di Berkovsky e Bashtovoy 1993 e 1996. Essi forniscono un’ampia panoramica dei vari usi possibili dei ferrofluidi in diversi campi/aree, che vanno dalla separazione al posizionamento meccanico fino alle applicazioni mediche.

Al giorno d’oggi, i ferrofluidi sono utilizzati in un’ampia varietà di applicazioni, che vanno dal loro uso negli hard disk dei computer e come guarnizioni liquide in sistemi rotanti al loro uso in esperimenti di laboratorio per studiare i flussi geofisici e lo sviluppo di dispositivi microfluidici.

Fluidi magnetici

Qualsiasi tipo di fluido che può essere controllato dall’esterno, per esempio da un campo magnetico, rappresenta una sfida sia per gli scienziati interessati alla meccanica/dinamica dei fluidi di base che per gli ingegneri. Consideriamo la ricerca di base: la capacità di introdurre una forza artificiale esterna ma controllabile nelle equazioni di base si estende in un campo affascinante di potenziali nuovi fenomeni.

Il fatto che i campi magnetici possano essere variati abbastanza bene e accuratamente, sia nella direzione/orientamento che nell’intensità del campo, li rende molto interessanti per aggiungere tali forze esterne. Sfortunatamente i liquidi naturali (la maggior parte dei normali) non offrono queste caratteristiche. Tuttavia, le sospensioni generate artificialmente di nanoparticelle magnetiche in liquidi di trasporto appropriati, cioè i ferrofluidi, lo fanno. Anche se finora sono stati discussi vari effetti diversi, la proprietà di gran lunga più famosa dei fluidi magnetici indotta dal campo è il cambiamento della loro viscosità (McTague 1969).

In generale, un campo magnetico può essere usato efficacemente come parametro di controllo o di biforcazione del sistema, il cui cambiamento può portare a tipi di comportamento idrodinamico caratteristicamente distinti. A questo proposito, la turbolenza e la transizione alla turbolenza nei flussi magnetoidrodinamici (MHD) giocano un ruolo importante in molti problemi astrofisici e geofisici, ad esempio la generazione di campi magnetici nei corpi celesti, nei pianeti e (talvolta) negli impianti industriali su larga scala. Per esempio, Gellert et al. 2011 hanno studiato le instabilità guidate da correnti di campi elicoidali.

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