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jul 3

Aprenda tudo sobre fluidos magnéticos!

  Os fluidos magnéticos são sistemas coloidais gerados através da dispersão de nanopartículas superparamagnéticas (Geralmente nanopartículas de magnetita) em um líquido adequado (Água, etilenoglicol, etc). O fato os fluidos magnéticos aliarem propriedades magnéticas às propriedades características dos fluidos torna esse tipo de material atraente tecnologicamente e a pesquisa nessa área é de grande relevância dentro da NanotecnologiaEsses materiais são impressionantes e já foram citados no Olhar Nano diversas vezes. Se você ainda não viu, assista ao vídeo "Diversão com fluido magnético" e entenda porque um simples líquido gera um interesse e curiosidade tão grandes. Essas propriedades podem ser explicadas com o entendimento das nanopartículas superparamagnéticas. Para saber mais sobre o assunto, leia o artigo "Entenda as nanopartículas superparamagnéticas". 
    Nesse artigo, vamos apresentar mais informações sobre os fluidos magnéticos, sua história, método de síntese e algumas aplicações. 
 

      Breve histórico    

   A preparação dos fluidos magnéticos sempre apresentou um problema principal: a estabilidade. Esse obstáculo, entretanto, foi superado através do desenvolvimento da Ciência dos coloides. Percebeu-se que as partículas suspensas deveriam ser quimicamente estáveis e apresentar um tamanho pequeno, em escala nanométrica, para que de modo que o movimento Browniano compensasse a tendência termodinâmica de aglomeração.

     Há muito tempo se conhecem a propriedades magnéticas de soluções salinas de elementos que possuem elétrons d desemparelhados. A resposta a campos magnéticos que essas soluções apresentam, entretanto, é fraca para  explorá-las sob o ponto de vista. Por volta de 1779 surgiram as primeiras tentativas de preparação de um fluido, a partir de coloide, que apresentasse propriedades magnéticas tecnologicamente aplicáveis, através da suspensão de partículas de ferro metálico em diversos solventes. No entanto, conforme comentado anteriormente, a aglomeração e sedimentação do material, após apenas algumas horas, era observada, dificultando a aplicação do material, juntamente com a baixa resistência do ferro metálico à oxidação.

    Após um longo período sem avanços nessa área, Bitter, em 1932, dispersou partículas de maguemita (Fe2O3), com diâmetro de 1 mm, em acetato de etila. Embora o sistema respondesse bem à aplicação de campos magnéticos externos, a suspensão coloidal não era suficientemente estável, em virtude do tamanho das partículas. Seis anos mais tarde, Elmore obteve um colóide mais estável de magnetita (Fe3O4) em meio orgânico.

   Na década de 60, surgiam as primeiras suspensões estáveis de materiais magnéticos, preparadas a partir da degradação térmica de compostos organometálicos na presença de surfactantes e solventes específicos.

    Apesar do progresso na estabilização dos coloides, os cientistas  notaram que era necessária a preparação de sistemas que continuassem estáveis por um tempo mais prolongado e que fossem capazes de suportar a ação de campos magnéticos intensos sem que houvesse a precipitação das partículas. Pappell, após uma longa busca, encontrou uma solução mais duradoura através da trituração de cristais de magnetita em moinhos com esferas de aço, dispersando-as em querosene. Esse fluido magnético foi utilizado no controle do fluxo de combustíveis na ausência de gravidade, uma importante aplicação na Ciência aeroespacial. À mesma época, Rosensweig e Kaiser desenvolveram um método de elaboração similar, em que a moagem do material inorgânico era realizada na presença de surfactantes e solventes orgânicos, seguida de centrifugação para se eliminar as partículas maiores, obtendo uma distribuição de tamanhos estreita, com partículas medindo cerca de 10 nm, dispersas posteriormente em um solvente adequado. Esse fluido era bem mais estável.

    Em 1973, Khalafala e Reimers propuseram um novo método de produção de nanopartículas magnéticas através de um procedimento químico, que consistia na precipitação simultânea de íons FeII e FeIII  com NH4OH. Esse novo método revolucionou a preparação dos fluidos magnéticos, não apenas em função de sua versatilidade, mas também por evitar os procedimentos onerosos e demorados que o processo de moagem necessitava.

    No início da década de 80, Massart estabilizou um fluido magnético eletrostaticamente em meio aquoso. Na mesma década, Cabuil e Massart resolveram o problema de oxidação das nanopartículas magnéticas promovendo a oxidação das partículas previamente à sua dispersão em meio aquoso, obtendo um fluido magnético estável de partículas constituídas principalmente por maguemita.

    Em 1989, Tourinho e colaboradores, a partir de modificações do método convencional, obtiveram FM de alta concentração de ferritas de Cobalto e Manganês.

    Na segunda metade da década de 90, Sousa e colaboradores obtiveram novos fluidos magnéticos a base de ferritas de Zinco, Níquel e Cobre, levando a novas possíveis aplicações tecnológicas desses materiais.

    Nos últimos anos, diversas técnicas têm sido propostas para a elaboração de fluidos magnéticos, visando principalmente a funcionalização das partículas já durante a síntese e a sua monodispersão em tamanho. Como ferramentas utilizadas nessa área, pode-se citar a Química de Coordenação e a Química Supramolecular. Além disso, surgem anualmente dezenas de novas aplicações e dispositivos nanotecnológicos que empregam as propriedades dos fluidos magnéticos como princípio de funcionamento.

     Tipos de fluidos magnéticos

   Conforme dito antes, fluidos magnéticos são suspensões coloidais formadas por nanopartículas que apresentam monodomínios magnéticos dispersas em um líquido. Assim, essas nanopartículas precisam ser estabilizadas para que o fluido magnético possa se manter coeso. Assim, dependendo da técnica utilizada na estabilização das nanopartículas, os fluidos magnéticos podem ser classificados como surfactados, iônicos ou híbridos.
 
  • Surfactado
    O termo surfactado vem do inglês surfactant, proveniente das palavras Surface Active Agente (Agente Ativo de Superfície em português). Nos fluidos magnéticos surfactados, a superfície da nanopartícula é recoberta por uma camada molecular com cerca de 1 a 3 nm de espessura, apresentando uma terminação polar, como carboxila, hidroxila ou amina. A região polar é hidrofílica, voltada para a nanopartícula, ficando a parte hidrofóbica (apolar) voltada para o solvente, conforme se observa na figura. Neste caso, deve-se ter um líquido dispersante apolar, como hidrocarbonetos. Essa cadeia que adere à superfície da nanopartícula forma uma barreira mecânica contra aglomeração e proporciona a estabilidade da suspensão.
 
  • Iônico
    Nos fluidos magnéticos iônicos, a densidade superficial de carga elétrica é estabelecida a partir de um equilíbrio do tipo ácido-base. O solvente é tipicamente água e a nanopartícula é carregada com uma densidade superficial de carga. A estabilidade está associada à repulsão eletrostática. Neste caso, a densidade de carga superficial e a força iônica do meio devem ser precisamente controladas de modo que a repulsão compense a atração magnética dipolar que favorece a precipitação das nanopartícula. Nos fluidos magnégicos em meio aquoso com pH baixo, surge uma densidade de cargas positivas devido à transferência de prótons do meio para a superfície da nanopartícula. 
 
  • Híbridos
    Atualmente, já estão sendo sintetizados fluidos magnéticos estabilizados por meio de uma estrutura ao mesmo tempo iônica e surfactada. Estes fluidos são denominados híbridos  
 
     Para saber mais sobre estabilização de nanopartículas, leia o artigo. "Estabilização de nanopartículas: o que é e qual sua finalidade".
 
    Síntese
 
   Como dito anteriormente, o procedimento de síntese de um fluido magnético é bastante simples; resumidamente, é necessário cumprir alguns passos:
 
  • Sintetizar nanopartículas superparamagnéticas
  • Dispersar as partículas na concentração certa, em um meio líquido adequado
  • Estabilizar as nanopartículas
 
    Para os interessados em produzir seu próprio fluido magnético, o Olhar Nano recomenda o artigo "Síntese de fluidos magnéticos".
 
    Aplicações
 
   O interesse tecnológico pelo fluido magnético foi inicado em 1965, graças à necessidade da NASA de resolver o problema do fluxo de combustível em veículos espaciais na ausência da gravidade. Muitas aplicações surgiram desde então, dentre as quais pode-se citar:
 
  • Selos rotativos para sistemas a vácuo ou discos rígidos.
  • Auto-falantes
  • Tintas magnéticas (código de barras)
  • Acelerômetros e amortecedores magnéticos
  • Separação de óleo e água através de meios magnéticos, onde processos de extração de
  • petróleo e de controle de desastres ecológicos podem ser beneficiados 
  • Dispositivos ópticos como moduladores e chaves ópticas que controlam a passagem de
  • luz em função de campo magnético aplicado por um filme de fluido magnético
 
      A importância de um material biologicamente compatível, com fortes propriedades magnéticas também é evidente em sistemas diagnósticos e de entrega de drogas. Fluidos magnéticos podem ser biologicamente compatíveis através da modificação superficial das nanopartículas e da escolha cuidadosa do líquido carreador. Com isso, é possível a obtenção de  agentes de contraste para imagem por ressonância magnética. Esses agentes já se encontram no mercado, com nomes como Combidex e FeridexOutra aplicação biológica importante é o método de tratamento de tumores conhecido como  hipertermia. Além disso técnicas biotecnológicas (Todas fazendo uso de fluidos magnéticos) como separação e purificação de células, sondas magnéticas, imobilização de enzimas, separação imunomagnética de microorganismos patogênicos em microbiologia clínica já estão começando a se tornar disponíveis.
 
    REFERÊNCIAS
  • Silveira, L.B.. Estudo de propriedades magnéticas de fluidos e nanocompósitos magnéticos biocompatíveis. Tese de doutorado. Instituto de Física da Universidade de Brasília. Brasília, 2006
  • Wooding, A.; Kilner, M.; Lambrick, D.; J. Colloid Interface Sci. 1991, 144, 236
  • Charles, S.W.; Popplewell, J. In Ferromagnetic Materials; Wolhfarth, E.P., editor; North-Holand Publishing Company: Amsterdam, 1980, vol.2, cap. 8, p. 512

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