趣味化學玩具:神奇鐵磁流體的玩法與合成/黃蕙君、邱姿蓉

星期六 , 13, 十二月 2014 Leave a comment

趣味化學玩具:神奇鐵磁流體的玩法與合成

黃蕙君*、邱姿蓉

國立大甲高級中學
*m97242016@mail.ncue.edu.tw

n  影片觀賞

本文介紹神奇的磁性流體(ferrofluid)兩種玩具,分別購買於東京科學技術館和台北誠品書局,適用於年齡12歲以上的對象,本影片提供兩項玩具演示的趣味過程,並在文章中介紹奈米鐵磁流體的成分、合成方法及其背後的科學原理。

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影片網址:鐵磁流體的合成(Synthesis of ferrofluid),http://youtu.be/_Fa2-MDPusc

n  簡介

神奇的奈米磁性流體是由奈米磁顆粒、界面活性劑以及承載溶劑所組成的,1960年代中期,美國航空太空總署(NASA)科學家Papell經由長時間的研磨磁鐵礦,形成超微粒子,混合超微粒子與界面活性劑,使界面活性劑吸附於顆粒表面,並讓磁性微粒分散於溶媒中,而研發出磁性流體。磁性超微粒子的研發,解決了在零重力狀態下,火箭液態燃料輸送控制、太空衣可動部位的真空閉密材料等問題(見參考資料1)。當外加磁場時,磁性流體會隨著磁力的大小,產生高低不等的突出峰,近年來各大博物館都會展出結合音樂旋律、燈光效果的磁性流體的科學小劇場,最有名的是於2009高雄科學工藝博物館推出,由日本藝術家兒玉幸子打造的「Morphotower 變形尖塔」裝置藝術,參觀過的人莫不鼓掌、讚嘆。

近年來,更有業者應用磁性流體原裡,投入益智玩具市場,這些玩具操作簡易,除新鮮、驚奇之餘,且富含科學知識。本文除介紹兩種磁性流體玩具外,也介紹合成鐵磁流體的合成方法,並相互比較其中的差異性。

n  藥品與器材

一、   磁性流體玩具:圖1為兩種磁性流體玩具,圖左的鐵磁粒子溶於有機溶劑中,溶液成棕黑色,購買於東京科學技術館;圖右的鐵磁粒子置於蒸餾水的封閉玻璃罐中,購買於台北誠品書局。

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1:兩種磁性流體的外觀

二、   合成材料包括:0.25 M的氯化鐵(Iron(III) chloride, ferric chloride)、0.25 M的硫酸亞鐵(Iron(II) sulfate, ferrous sulfate)、0.5 M的氨水、25%的氫氧四甲銨(Tetramethylammonium hydroxide, TMAH or TMAOH)、油酸(Oleic acid)、乙酸乙酯(Ethyl acetate)、蒸餾水、強力磁鐵、滴定管、磁攪拌器、攪拌磁石。

n  實驗步驟

一、神奇磁性流體玩具的操作

1.      打開玩具(1左圖)包裝盒,拿出吸管,於裝有磁性流體的離心管內吸取少量的黑色液體,注入培養皿中,接著放置強力磁鐵至於培養皿下,觀察液面上的變化。隨即移走磁鐵遠離培養皿,觀察磁性流體的變化。相關變化如圖2所示。

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2:磁性流體的突出峰效應明顯,具有良好的流動性。

2.      玩具(1右圖)的磁性流體放置在裝有蒸餾水的玻璃罐中,可藉由磁鐵吸引,將液體狀的磁性流體吸附到玻璃罐壁上,觀察磁性流體的變化。接著取出兩個強力磁鐵,在罐體兩側不同距離吸引磁性流體,觀察磁性流體拔河、相互牽引的效果。隨即將磁鐵移開玻璃管壁,觀察磁性流體的狀態。相關觀察結果如圖3所示。

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3:在兩側強力磁鐵的吸引下,水中的磁性流體呈現拉鋸狀態。

二、鐵磁流體的合成

1.      8毫升的0.25 M硫酸亞鐵溶液和16毫升的0.25 M氯化鐵溶液,倒入錐形瓶中(或燒杯中),緩慢地滴入50毫升的0.5 M氨水,並以磁攪拌子均勻攪拌,同時觀察溶液顏色的變化。滴定過程溶液顏色的變化如圖4所示。

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4:滴入氨水前溶液的顏色(左),滴入氨水後溶液中有黑色生成物(右)。

2.      當溶液逐漸由黃褐色轉為深褐色,並有黑色沉澱物產生,持續滴入氨水直至溶液變黑色。

3.      滴入氨水結束後,以長磁棒先吸出攪拌子,靜置一段時間,使產物(Fe3O4)與水層分離。相關實驗過程如圖5所示。

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5:黑色的磁性顆粒沉降至錐形瓶底部

4.      分離完全後,小心地吸出上方水層,再倒入少量蒸餾水清洗細微的磁性顆粒。

〔註〕:若放置強力磁鐵在錐形瓶的下方,則具有超順磁性的奈米顆粒Fe3O4會很快地被磁鐵吸引,與水層分離,節省時間。

5.      重複步驟34數次,盡量將多餘的氨水溶液吸出,以免影響界面活性劑的吸附作用。

6.      最後一次水洗後,盡量吸出蒸餾水。先傾斜錐形瓶,再以強力磁鐵將磁性顆粒吸引至高處,讓水分往下流再吸出。亦可將磁性顆粒移至小燒杯中,方便後續的實驗操作。

7.      除去水後,在錐形瓶中倒入約2毫升的油酸,以細玻棒均勻攪拌,讓油酸可充分包覆在磁性顆粒上,避免凝聚結塊的發生。

〔註〕:此時殘存的多餘的水分會析出,務必傾析乾淨,否則影響結果甚鉅。

8.      加入約4毫升的乙酸乙酯,使被油酸包覆的磁性顆粒分散在其中,而形成鐵磁流體。

9.      將適量的鐵磁流體移至表玻璃上,下方放置強力磁鐵,前後左右地移動磁鐵,並觀察鐵磁流體的變化。若無尖型的突波產生,代表流體黏滯性太高,可再加入1~2毫升的乙酸乙酯當載體,攪拌均勻後,即可觀察到相關結果。鐵磁流體的成品如圖6所示。

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6:鐵磁流體在強力磁鐵的作用下產生的突出峰。

〔註〕:若欲合成水性的鐵磁流體,可改用離子形的界面活性劑,如氫氧四甲銨(TMAH)。操作步驟與步驟1~6相同,但在步驟7中在移去多餘水分後,原來添加的油酸改換成2毫升25%的氫氧四甲銨,充分均勻攪拌。然後,放置強力磁鐵在表玻璃下方,前後左右移動磁鐵,亦可得到效果良好的磁性流體。

n  原理與概念

一、   磁流體的合成

本實驗是利用共沉澱法,將氯化亞鐵(或硫酸亞鐵)與氯化鐵依1 : 2的比例混合後,加入過量的氨水,製備奈米級的四氧化三鐵顆粒。藉著油酸界面活性劑的吸附、包覆,形成穩定的膠體粒子,相關的合成的反應式如式[1]所示。

FeCl2(aq) + 2FeCl3(aq) + 8NH3(aq) + 4H2O(l)  → Fe3O4(s) + 8NH4Cl(aq)    [1]

惟本實驗合成的產物,雖可產生突出峰,演示效果與市售產品仍有一段不小的差距,推測應該是界面活性劑的吸附效率,以及分散載體的選擇有關。如何改善製程,提昇奈米磁性顆粒的合成品質,留待以後繼續努力。

二、   什麼是磁性流體?

所謂的磁性流體是指由具超順磁性(superparamagnetism),約10奈米大小的磁性顆粒、界面活性劑及溶劑載體所組成的一種懸浮液體;磁顆粒不會因為重力而沉澱,也不會因磁力吸引凝聚、結塊的現象。當外加磁鐵時,超順磁性的磁流體會被磁場吸引,並沿著磁力線方向,產生各種突出峰,磁場越強,突出峰越明顯。當磁力消失時,磁流體會恢復成一般流體。

奈米磁性顆粒以鐵基性為主,如四氧化三鐵;當奈米磁顆粒加入水中時,它們會因凡得瓦力的吸引,凝聚成較大、較重的團塊體,因而無法藉由布朗運動而懸浮在水中,此時界面活性劑會發揮作用,包覆磁性顆粒(日冕效應),抵弱凡得瓦力,進而穩定粒子,避免凝聚效應發生。

一般適用界面活性劑通常可分成兩大類,一是具親水端、親油端型的,如油酸;另一種是具陰、陽離子型的,如氫氧化四甲銨。油酸會利用親水端向內包圍奈米磁顆粒,長鏈狀的親油端向外,形成油膩狀的包覆層,油膩狀的包覆層會拉開奈米顆粒間的距離,避免凝聚現象的發生;氫氧化四甲銨是四甲基銨離子(陽離子)和氫氧根(陰離子)所組成,氫氧根離子先接近磁性顆粒,而四甲銨離子會因電性相吸,包覆在最外圍,成為帶正電的膠體,膠體間因庫倫排斥力而穩定懸浮在水中。氫氧化四甲銨與四氧化三鐵的作用示意圖如圖7所示。

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7:四甲銨離子的包覆作用,穩定了磁顆粒,形成水性的磁流體。

三、   磁流體的應用

主要使用於電子業、機械業等精密儀器上,如馬達的旋轉軸承的真空軸封。磁流體對旋轉軸不產生機械性的摩擦,具有低磨損、無碎屑汙染、高速低滯等優點,廣泛地應用在自動化機械手臂製造上。

在醫學領域上,鐵磁流體可被用於癌症檢測以及抗癌的臨床實驗上。鐵磁流體可以被注入腫瘤体並被置於快速變化的磁場當中,由於鐵磁流體在腫瘤中運動,會產生摩擦熱,從而破壞腫瘤。

n  安全注意及廢棄物處理

l  氨水有刺激臭,實驗操作需在通風櫃中進行,過程中要戴手套。

l   氫氧化四甲基銨,實驗過程中須戴上手套及護目鏡,避免危險。(參閱參考資料78

l   奈米磁顆粒相當細微,盡量避免沾到衣物,以免留下難以清洗的汙跡;更不可誤食,造成未知的風險。

l   乙酸乙酯揮發性高,合成的磁流體須保存在密閉的容器中,以防蒸發。

n  參考資料

1.      科學工藝博物館網站,http://goo.gl/lQqOCC

2.      陳慶耀,磁性流體液滴界面之操控,http://web.it.nctu.edu.tw/~chingyao/NSC.pdf

3.      鍾志輝陳光榮戴嘉亨,奈米磁顆粒製備與簡易應用實作,民98http://goo.gl/NRQHP7

4.      Anne Marie Helmenstine.How To Make Liquid Magnets, http://chemistry.about.com/od/demonstrationsexperiments/ss/liquidmagnet.htm.

5.      Doris Chun, Steven Karlen, Chris Kolodziej, Bob Jost, Shabnam Virji, Michelle Weinberger. (2005).Synthesis of aqueous ferrofluid, http://goo.gl/mW27Kb.

6.      Ferrofluid, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Ferrofluid.

7.      Tetramethylammonium hydroxide, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Tetramethylammonium_hydroxide.

8.      Tetramethylammonium Hydroxide (TMAH) 氫氧化四甲銨,http://www.taimax.com.tw/images/propdf/51/MSDS_TMAH.pdf

 

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