Ferrofluide

Pour pouvoir utiliser les propriétés spécifiques du ferrofluide, il doit être stable (il ne doit pas décanter, et doit rester homogène) même sous l'action d'un champ magnétique. Cette stabilité va dépendre de plusieurs paramètres tels que la taille des particules et certaines forces. Les forces auxquelles sont soumises les nanoparticules du ferrofluide sont :

• la force de Van der Waals, une force attractive à courte distance et de valeur proportionnelle à la dimension des particules ;
• la force magnétique, qui correspond à une interaction entre les pôles des nanoparticules. Elle est attractive lorsqu'un champ magnétique est appliqué ;
• la répulsion interparticulaire ;
• le terme entropique, correspondant à l'énergie d'agitation thermique ;
• la gravité.

Dans le cas où les forces attractives l'emportent sur les forces répulsives, le ferrofluide n'est plus stable. Cela entraine une séparation du liquide en plusieurs phases et/ou une précipitation des nanoparticules.

Afin d'éviter ce phénomène la taille des nanoparticules doit être de l'ordre du nanomètre (de 5 à 15 nm) et elles doivent se repousser à courte distance. La répulsion interparticulaire est liée au choix du solvant et à l'état de la surface des nanoparticules qui peut éventuellement être modifié par l'adsorption d'agents dispersants tels que des molécules chargées, des tensioactifs ou des polymères. Ces agents dispersants jouent aussi sur les interactions entre la nanoparticule et le liquide porteur (propriétés de « solubilité » de la nanoparticule).

Rôle du tensioactif dans la solubilisation de la particule.

Dans les milieux non polaires

Les tensioactifs sont constitués d’une partie hydrophile (forte affinité avec la particule), et d’une partie hydrophobe (soluble dans le solvant).

La partie hydrophile se fixe à la particule, la partie hydrophobe au solvant, ce qui permet de former l’interface liquide-solide, et donc de lier les deux composants. Un exemple typique de tensioactif utilisé est l'acide oléïque.

Dans les milieux polaires

Dans ce cas là, les nanoparticules doivent être chargées afin qu'elles puissent exercer les unes sur les autres des répulsions électrostatiques suffisamment fortes pour contrebalancer les forces attractives de Van-Der Walls et les interactions dipolaires magnétiques. Une première possibilité est de jouer sur le pH en se plaçant en dessous ou au-dessus du point isolectrique de la nanoparticule[9]. Ainsi les ferrofluides classiques de maghémite (γ-Fe₂O₃) ou de ferrite (MFe₂O₄) sont stables à pH<3 ou à pH>11. Pour obtenir de tels pH on ajoute à la suspension aqueuse des nanoparticules un acide tel que l'acide nitrique (HNO₃) ou une base telle que l'hydroxyde de tétraméthylammonium ((CH₃)₄N⁺/OH⁻). La nature de la base ou de l'acide est également importante. Par exemple l'utilisation de bases telles que la soude (NaOH) ou l'ammoniaque (NH₃) ne permet pas d'obtenir des ferrofluides stables. En effet la présence des contre-ions correspondant à ces bases (Na⁺, NH₄⁺) écrante les charges de surface des nanoparticules, diminuant les répulsions électrostatiques et la stabilité colloïdale.

Une deuxième possibilité consiste à adsorber à la surface une molécule ou un polymère chargé comme les anions citrate ou les polymères polyacrylate (PAA). Dans ce cas la stabilité colloïdale en fonction du pH dépend du pKa de l'espèce adsorbée. Par exemple avec les citrates, quand le pH est supérieur au pKa de cette molécule (environ 4), les molécules sont chargées négativement et confèrent cette charge aux nanoparticules qui sont alors stabilisées. On peut obtenir ainsi des ferrofluides stables en milieu neutre (pH=7).

Une troisième possibilité est d'adsorber une bicouche de tensioactif (par exemple l'acide oléique) à la surface des nanoparticules. On met une première couche de tensioactif qui rend la particule hydrophobe. La deuxième couche permet à la particule de présenter des groupements polaires vers le solvant et donc d’être facilement solubilisée[5] - [3]. Enfin il est à noter que la force ionique du milieu a également une importance sur la stabilité colloïdale en milieu polaire : une concentration en ions trop élevée ou la présence de cations divalents (par exemple Ca²⁺), écrante les charges de surface et diminue la stabilité colloïdale des nanoparticules.

Ferrofluide sur une plaque de verre soumis à un champ magnétique fort, entrainant la formation de pointes.

Les ferrofluides possèdent de très fortes propriétés magnétiques :

• lorsque le fluide magnétique n'est soumis à aucun champ magnétique, les moments magnétiques portés par les nanoparticules sont orientés aléatoirement. L'aimantation totale du fluide est donc nulle.
• lorsque le ferrofluide est soumis à un champ magnétique, on observe une aimantation. Les moments des particules ont tendance à s'aligner avec le champ auquel elles sont soumises.

Les nanoparticules sont constituées d'un matériau qui peut être ferromagnétique ou ferrimagnétique mais elles ont un comportement global qui est habituellement superparamagnétique. La stabilité du ferrofluide est facilitée par le superparamagnétisme, puisque l'aimantation des nanoparticules change spontanément de sens avec l'agitation thermique, réduisant ainsi les interactions magnétiques entre nanoparticules. L'aimantation d'un ferrofluide à saturation est égale, à la dilution près, à celle des matériaux qui le compose. Par exemple, un ferrofluide à base de magnétite, concentré à 15 %, possède une aimantation de 52,5 kA/m (kiloampères par mètre, 10³ A/m) à saturation[5] - [3]. Cette aimantation ainsi que diverses propriétés caractéristiques du ferrofluide (susceptibilité magnétique, diamètre moyen et polydispersité des nanoparticules) peuvent être obtenues par mesure de sa courbe d'aimantation (c'est-à-dire de l'aimantation du ferrofluide, M, en fonction du champ magnétique extérieur appliqué, H). On utilise pour cela un magnétomètre vibrant ou un magnétomètre SQUID. L'ensemble de la courbe d'aimantation peut généralement être modélisé à l'aide de l'équation de Langevin.

Les particules des ferrofluides ont des caractéristiques optiques particulières. Effectivement, ils sont biréfringents et dichroïques (propriété, lorsqu'il est éclairé par une lumière non polarisée, d'apparaitre bicolore lorsqu'on l'observe sous un certain angle par transparence) sous l'influence d'un champ magnétique. Ces caractéristiques sont beaucoup utilisées dans les applications des ferrofluides[5] - [3].

Impression des billets

Les ferrofluides limitent les contrefaçons en étant employés dans l'impression des billets de 1 $. Ces billets sont alors aisément attirés par un aimant[10].

Joints des disques durs

Les ferrofluides sont commercialisés depuis les années 60, notamment en tant que joints isolants destinés à protéger les disques durs d’éventuels éléments extérieurs et éviter les frottements. Ainsi, ils sont utilisés pour la lubrification et l’étanchéité des axes de moteur de disques durs en étant introduits entre l'enroulement et l'aimant assurant la lubrification et empêchant les poussières de se glisser dans l'interstice.

Enceintes audio

D’autre part, ils permettent également d’améliorer le transfert thermique au sein des enceintes audio de haute qualité, afin d’obtenir un son de haute performance et sans surchauffe. L'air autour de la bobine de ces haut-parleurs conduit très mal la chaleur, il est donc avantageusement remplacé par du ferrofluide. Les particules chauffées au-delà de la température de Curie perdent leur aimantation et sont donc remplacées par des particules froides [10].

Médecine

Dans le domaine de la médecine et de la recherche en biologie, les ferrofluides sont utilisés pour trier des groupes biologiques. Ainsi, dans la détection de la tuberculose, des ferrofluides se fixent sur les cellules malades, ce qui permet de les détecter et de les isoler par centrifugation ou application de champ magnétique.

En IRM, les ferrofluides sont utilisés comme agent de contraste, en modifiant les temps de relaxation du proton[11].

Une autre application récente est l’utilisation des ferrofluides en cancérologie, par hyperthermie magnétique : les nanoparticules sont injectées dans des tissus cancéreux, puis on soumet ces tissus à un champ magnétique alternatif. Ceci entraine une élévation de température de la tumeur.

Amortisseurs de voitures

Il est aujourd’hui envisageable de modifier les caractéristiques des amortisseurs de voitures haut de gamme selon les conditions de route telles que la vitesse sous l'action d'un champ magnétique, ou plus utile, de créer des amortisseurs antisismiques réglés sur la fréquence de résonance d'un bâtiment (la viscosité d'un ferrofluide dépend du champ magnétique qu'il subit)[10].

Dépollution

En associant des ferrofluides, du charbon actif et un liant, on obtient des billes permettant la dépollution, qu’il est alors possible de récupérer à l'aide d'un électroaimant (toutefois cette potentielle utilisation est encore au stade de la recherche)[10].

Médecine

Dans les cas d’anévrisme artériel, une faible quantité de ferrofluide, fixée par des aimants, est utilisée en tant que renforcement des parois affaiblies.

À l’université Stanford, des scientifiques étudient les possibilités qu’offrent les ferrofluides dans la création de cœurs artificiels. Ces ferrofluides seraient utilisés pour la détection du flux et de la circulation du sang, évitant toute utilisation de moteurs électriques ou de pompes hydrauliques[12].

Enregistrement magnétique

Un autre domaine différent où les ferrofluides sont utilisés est le domaine des sciences de l’information : on essaye de faire de l’enregistrement magnétique haute densité, avec le codage de bits d’information par le biais de l’orientation d’un dipôle magnétique (10 nm × 10 nm à comparer aux 800 × 800 nm actuels de la taille de bits magnétiques)[11].

Optique

Les propriétés des ferrofluides ont de nombreuses applications en optique dans la mesure où chaque grain aimanté réfléchit la lumière. Nous savons que le pouvoir de résolution des télescopes dépend des dimensions de leur miroir principal. Toutefois ces derniers sont de plus en plus difficiles à réaliser au-delà d'un mètre de diamètre. Ils ont alors tendance à se déformer sous leur propre poids, de sorte que l’écart à la forme paraboloïdale idéale ne permet pas d’atteindre les performances théoriques des miroirs géants. La technologie des miroirs liquides ne cesse de progresser et permettrait à terme de construire des miroirs géants capables de brillantes découvertes.

L’idée avait déjà été proposée en 1994 avec du mercure, et avait fini par être abandonnée, le mercure s’étant révélé trop lourd. Dans cette approche, sous l’action d'une force centrifuge, du mercure, placé dans un récipient en rotation, voit sa surface devenir paraboloïde. La dernière avancée technique, reposant sur l’emploi des ferrofluides, vient d’être réalisée. Dans ce cas, une série de bobines générant un champ magnétique déforme la surface d’un ferrofluide pour lui donner la même figure. Dans les deux cas des miroirs liquides dont les dimensions peuvent être très grandes sont obtenus, miroirs qui ont été proposés pour construire des télescopes lunaires.

Un prototype a été réalisé avec des particules nanométriques de magnétite comme composant magnétisable du ferrofluide, lequel a été versé dans un récipient comportant 37 bobines de 5 mm de diamètre formant un réseau. L’ensemble était contrôlé par ordinateur. Pour tester le dispositif, des rayons lumineux formant une image ont été déformés par leur passage à travers des lentilles mal alignées et des boîtes de Petri, de manière à produire des aberrations optiques. Ces défauts ont été facilement éliminés par le miroir à ferrofluide, dont la forme pouvait être modifiée près de cent fois par seconde. Ce rythme élevé est important pour réaliser une bonne optique adaptative à différentes longueurs d’onde[13].