Transport und Strukturbildung in magnetischen Hybriden

Transport and pattern formation in magnetic hybrids

Ein an Bedeutung gewinnender Forschungsbereich hat die Kombination von Ferrofluiden mit anderen Materialien wie Gummis oder Gelen zum Inhalt. Diese neue Klasse von Hybridmaterialien verbindet die Vorteile von Ferrofluiden mit weiteren nützlichen Eigenschaften. Diese Disserta- tion beschäftigt sich mit der Untersuchung ebensolcher Hybriden. Dazu werden verschiedene Ferrofluide mit Vernetzern kombiniert. Die beiden zentralen Fragestellungen der Arbeit sind: 1. Ist der magnetophoretische TransportEin an Bedeutung gewinnender Forschungsbereich hat die Kombination von Ferrofluiden mit anderen Materialien wie Gummis oder Gelen zum Inhalt. Diese neue Klasse von Hybridmaterialien verbindet die Vorteile von Ferrofluiden mit weiteren nützlichen Eigenschaften. Diese Disserta- tion beschäftigt sich mit der Untersuchung ebensolcher Hybriden. Dazu werden verschiedene Ferrofluide mit Vernetzern kombiniert. Die beiden zentralen Fragestellungen der Arbeit sind: 1. Ist der magnetophoretische Transport von magnetischen Nano- partikeln durch eine Gel-Matrix hindurch und bei moderaten Feld- gradienten von unter 1 T m−1 möglich? 2. Wie wird die Normalfeld-Instabilität im Ferrofluid durch das Auf- bringen einer vernetzten Schicht auf die Oberfläche, beziehungs- weise durch das Vernetzen des gesamten Fluids, beeinflusst? Bei der Vernetzung des gesamten Systems werden zwei Proben be- stehend aus jeweils einem thermoreversiblen Gelator und einem Fer- rofluid verwendet. Eine basiert auf Paraffinöl mit Magnetit-Partikeln (FGSEPS) und eine auf Wasser mit Kobaltferrit-Partikeln (FGP123). Bei der Vernetzung der Fluidoberfläche kommt ein esterbasiertes Fer- rofluid und ein UV-Vernetzer zum Einsatz. Zunächst werden die beiden thermoreversiblen Proben, FGSEPS und FGP123, chemisch charakterisiert. Darauf aufbauend wird eine Unter- suchung ihrer rheologischen Eigenschaften durchgeführt. Es wird ge- zeigt, dass der thermoreversible Charakter der eingesetzen Gelatoren bei beiden Systemen eine Einstellung der gewünschten Viskosität zu- lässt. Bei der frequenzabhängigen Messung von Speichermodul G′(ω) und Verlustmodul G′′(ω) zeigte sich, dass FGSEPS ein viskoelastisches Ferrofluid und FGP123 ein Ferrogel ist. Zusätzlich werden die magneti- schen Eigenschaften von FGSEPS und FGP123, welche für diese Klasse von Hybridmaterialien von zentraler Bedeutung sind, charakterisiert. Aufgrund ihrer hohen Viskosität müssen bei den durchgeführten Mes- sungen Probenhalter nicht-ellipsoidaler Geometrie verwendet werden. Um die dadurch gemachten Messfehler abschätzen und korrigieren zu können, wurden Probenhalter ellipsoidaler Geometrie entwickelt und mit den Verwendeten verglichen. Darauf basierend ließen sich Korrek- turfaktoren für die verwendten Probenhalter ermitteln und damit die Messgenauigkeit des verwendeten Magnetometers wesentlich verbes- sern. Bei den Messungen der Magnetisierungskurven M(Hi) für beide Systeme stellt sich heraus, dass FGSEPS sich entsprechend einer su- perparamagnetischen Substanz verhält. Bei der Magnetisierungskurve M(Hi) des Ferrogels FGP123 kann ein hysteretisches Verhalten nach- gewiesen werden, owohl das zugrunde liegende Kobaltferrit-Ferrofluid superparamagnetisch ist. Anschließend wird untersucht, inwieweit sich FGSEPS und FGP123 mittels eines magnetischen Gradientenfeldes beeinflussen lassen. Zu die- sem Zwecke wird die zeitliche Veränderung der ortsabhängigen Parti- kelkonzentration mit Hilfe eines speziellen Röntgenverfahrens aufgelöst. Um den Einfluss des Gelators auf magnetophoretische Effekte beurtei- len zu können, wird zunächst reines Ferrofluid vermessen. Dabei lässt sich eine Separation der Nanopartikel beobachten. Bei dem thermore- versiblen System FGSEPS zeigt sich, dass trotz einer starken Erhöhung der Viskosität aufgrund des Gelators eine Separation möglich ist. Auch eine teilweise Relaxation des Systems durch reine Diffusion – ohne Ein- fluss eines magnetischen Feldgradienten – lässt sich beobachten. Diese Beobachtungen stehen im Widerspruch zu theoretischen Überlegungen, die Längen- und Zeitskala der Prozesse betreffend. Im Gegensatz zu Ferrofluid und FGSEPS werden bei dem Ferrogel FGP123 keinerlei magnetophoretische Effekte beobachtet. Der letzte Teil der Arbeit widmet sich der Frage, inwieweit die Bil- dung der Normalfeld-Instabilität durch eine Vernetzung auf der Ober- fläche, beziehungsweise des gesamten Systems, beeinflussbar ist. Die beiden untersuchten Systeme sind einerseits eine Kombination des Fer- rofluids mit einem UV-Vernetzer und andererseits das thermoreversible System FGSEPS. Bei der Überschichtung lässt sich die effektive Ober- flächenspannung des Ferrofluids erhöhen. Das hat eine Vergrößerung der Wellenlänge des Musters λc sowie eine Erhöhung der zur Erzeu- gung nötigen kritischen Flussdichte Bc zur Folge. Überraschend ist das Anwachsen der Amplitude des Musters bei Überschichtung. Dieser Ef- fekt lässt sich im Rahmen eines einfachen Modells erklären. Mit dem System FGSEPS ist es erstmalig gelungen in einem thermoreversiblen System bei G′ > G′′ eine Normalfeld-Instabilität zu erzeugen. Die Mus- teramplitude und ihre Wachstumsrate werden mit steigender Viskosi- tät des Systems kleiner. Die Wellenlänge λc steigt an und die kritische Flussdichte Bc ist unabhängig von G.show moreshow less
The research concerning the combination of ferrofluids with other ma- terials like gels or rubbers is currently gaining momentum. This new class of hybrid materials extendes the advantages of ferrofluids by addi- tional properties. The scope of this thesis is the examination of hybrids made of ferrofluids and cross-linking agents. The two central questions are: 1. Isitpossibletotransportmagneticparticlesthroughagel-network in a magnetophoretic manner utilizing moderate gradient fields of less tThe research concerning the combination of ferrofluids with other ma- terials like gels or rubbers is currently gaining momentum. This new class of hybrid materials extendes the advantages of ferrofluids by addi- tional properties. The scope of this thesis is the examination of hybrids made of ferrofluids and cross-linking agents. The two central questions are: 1. Isitpossibletotransportmagneticparticlesthroughagel-network in a magnetophoretic manner utilizing moderate gradient fields of less than 1 T m−1? 2. How is the Normalfield-Instability affected by introducing a cross- linking agent to the surface or to the ferrofluid as a whole respec- tively? For the experiments dealing with completely cross-linked systems of a thermoreversible gelator and a ferrofluid are used. One ferrofluid is based on paraffin-oil and magnetite particles (FGSEPS) and one is based on water and cobaltferrite particles (FGP123). The studies with a cross-linked surface are conducted using a ester-based ferrofluid and an UV-active cross-linking agent. The thesis begins with a chemical charaterization of the thermore- versible samples FGSEPS and FGP123. Consequently, it is continued by a study of their rheological properties. It can be shown that the thermoreversible character of the used gelators enables one to tune the viscosity of both samples. The measurement of the storage modulus G′(ω) and of the loss modulus G′′(ω) as a function of the frequen- cy reveals that FGSEPS is a viscoelastic fluid and FGP123 is a gel. Additionally, the magnetic properties of both hybrids – a parameter of central importance – are classified. Due to their higher viscosity the necessary measurements can only be conducted with sample hol- ders of non-ellipsoidal geometry. To get an estimation of the errors of this setup, sample holders with spherical geometry are produced and comparative measurements are carried out. Thereby it was possible to determine correction factors for the used sample holders and the accu- raccy of the magnetometer setup could be improved significantly. The measured magnetization curve M(Hi for FGSEPS shows, that it fol- lows the expected behaviour of a superparamagnetic material. The one for FGP123 however reveals a hysteretic behaviour, although FGP123 is based on a ferrofluid behaving superparamagnetically. Subsequently, the question whether or not FGSEPS and FGP123 can be manipulated by means of a magnetic gradient field is addressed. The measurements are carried out using a specialized X-ray method. This allows for the detection of the spatiotemporal particle concentration wi- thin the samples. To quantify the impact of the gelation, pure ferrofluid is measured first. A separation due to the gradient field is observed. The measurement with the thermoreversible system FGSEPS also shows a separation of the particles. Even though the viscosity is several times higher as in the case of pure ferrofluid – due to the cross-linking agent. Moreover, a relaxation of the system driven purely by diffusion – wi- thout a gradient field – can be observed. This experimental results are in contrast to theoretical considerations regarding the time and length scale of the process. On the contrary no magnetophoretical effects are observed for the ferrogel FGP123. The final part of the thesis is dealing with the manipulation of the Normalfield-Instability using cross-linking agents. The reviewed sys- tems are first of all the ferrofluid in combination with an UV-active cross-linking agent and secondly the thermoreversible system FGSEPS. Covering the ferrofluid with a membrane increases its effective surface tension. This results in an increased critical wavelength λc of the pat- tern. And in an increase of the critical flux density Bc needed to produce the pattern. Surprisingly, the amplitude of the pattern in the coated case is higher. This effect can be explained by a simple model. Using FGSEPS the Normalfield-Instability could be created in thermorever- sible systems with G′ > G′′ for the first time. The amplitude of the pattern and its growth rate decreases with increasing viscosity of the sample. The wavelength λc increased and the critical flux density Bc is independed of the viscosity.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Physik
Author: Tobias Lang
Referee:Prof. Dr. Ingo Rehberg
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik
Date of final exam:09.11.2012
Year of Completion:2012
Pagenumber:144 S.
SWD-Keyword:Magnetische Flüssigkeit; Magnetophorese; Musterbildung; Selbstorganisation; Transport
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik
RVK - Regensburg Classification:UR 4800 Dissertationen Physik
PACS-Classification:60.00.00 CONDENSED MATTER: STRUCTURAL, MECHANICAL, AND THERMAL PROPERTIES
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus4-10284
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):14.12.2012
Licence (German):License Logokeine Lizenz (Deutsches Urhebergesetz)