Des aimants permanents liquides

Les aimants permanents sont constitués de matériaux solides comme le fer et tous les matériaux ferromagnétiques.

Le ferromagnétisme est la propriété qu’ont certains matériaux de s’aimanter sous l’action d’un champ magnétique extérieur et de garder en l’absence de ce dernier une certaine aimantation.
Le reste des matériaux est :
-soit paramagnétique, c’est-à-dire que, sous l’effet d’un champ magnétique extérieur, le corps présente une aimantation orientée dans le sens du champ. Elle s’annule avec ce dernier.
-soit diamagnétique, c’est-à-dire que sous l’effet d’un champ magnétique extérieur, le corps présente une aimantation orientée opposée au sens du champ. Elle s’annule également avec ce dernier.
L’aimantation due à ces derniers phénomènes est d’intensité très faible devant celle due au ferromagnétisme.
Ces effets sont dus à l’orientation dans le champ magnétique extérieur des moments magnétiques de spin des électrons de la substance concernée.

Les ferrofluides sont des suspensions de particules nanoscopiques ferromagnétiques dans un fluide. Ils présentent des propriétés paramagnétiques et ne conservent donc pas leur aimantation  à l’arrêt du champ extérieur.

Une équipe sino-américaine de chercheurs (Beijin University,  University of California, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley et University of Massachusetts, Amherst,) a inventé une méthode simple pour  transformer en aimants permanents des gouttes de ferrofluides.

 

 

La préparation d’aimants liquides

Une  dispersion aqueuse de nanoparticules (diamètre 23 nm) d’oxyde de fer carboxylaté (Fe3O4-CO2H) est plongée dans une solution dans le toluène d’un tensioactif hybride organique/inorganique POSS (Polyedral oligomeric silsesquioxane en anglais) greffé à une amine et représenté par POSS-NH2..

Un tensioactif ou agent de surface (surfactant en anglais) est un composé qui modifie la tension superficielle à la surface séparant deux fluides.

Le POSS-NH2 se concentre à l’interface. Il interagit électrostatiquement avec les nanoparticules et ancre celles-ci sur un certain nombre de molécules de POSS-NH2, les rendant ainsi tensioactives. Quand une gouttelette  qu’on veut magnétiser se déforme, l’aire de son interface (eau-toluène) augmente et des nanoparticules tensioactives se forment et se placent à l’interface. La gouttelette cherche à prendre la forme qui diminue l’aire interfaciale, les nanoparticules tensioactives sont comprimées et se massent à l’interface, ce qui bloque la forme de la goutte et la maintient magnétisée, même quand le champ magnétique extérieur s’annule.

Si on mesure à l’aide d’un magnétomètre l’aimantation d’une goutte en fonction de la valeur du champ magnétique extérieur, on obtient la courbe classique d’hystérésis d’un ferromagnétique (Fig.1). Le chemin est différent selon que le champ magnétique extérieur croît ou décroit; il en résulte qu’à champ extérieur nul il subsiste une aimantation rémanente. On a deux valeurs d’aimantation rémanente de signes opposés à champ magnétique extérieur nul.

Fig.1. Transformation d’un ferrofluide paramagnétique (FF) en un ferromagnétique liquide (FLD) A) La courbe représente l’’aimantation en fonction du champ magnétique appliqué des gouttelettes de ferrofluide sans le POSS-NH2. La courbe est caractéristique d’un paramagnétique B) La courbe rouge présente l’hystérésis significatif des ferromagnétiques : le chemin est différent selon que le champ magnétique extérieur croît ou décroit; il en résulte qu’à champ extérieur nul il subsiste une aimantation rémanente. Elle correspond à une concentration suffisante de POSS-NH2 pour que l’interface soit complètement recouverte de nanoparticules d’oxyde de fer. La concentration de nanoparticules de Fe3O4-CO2H est la même dans les deux cas, ce qui explique que l’aimantation maximum soit la même. Tiré de Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets Xubo Liu, Noah Kent, Alejandro Ceballos, Robert Streubel, Yufeng Jiang, Yu Chai, Paul Y. Kim, Joe Forth, Frances Hellman, Shaowei Shi, Dong Wang, Brett A. Helms, Paul D. Ashby, Peter Fischer, Thomas P. Russell. Science 365, 264–267 (2019) 19 July 2019 . Avec autorisation.

Fig.1. Transformation d’un ferrofluide paramagnétique (FF) en un ferromagnétique liquide (FLD)
A) La courbe en noir représente l’’aimantation en fonction du champ magnétique appliqué des gouttelettes de ferrofluide sans le POSS-NH2. La courbe est caractéristique d’un paramagnétique
B) La courbe en rouge présente l’hystérésis significatif de l’aimantation des ferromagnétiques : le chemin est différent selon que le champ magnétique extérieur croît ou décroit; il en résulte qu’à champ extérieur nul il subsiste une aimantation rémanente.
Elle correspond à une concentration suffisante de POSS-NH2 pour que l’interface soit complètement recouverte de nanoparticules d’oxyde de fer.
La quantité de nanoparticules de Fe3O4-CO2H est la même dans les deux cas, ce qui explique que l’aimantation maximum soit la même.
Tiré de Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets
Xubo Liu, Noah Kent, Alejandro Ceballos, Robert Streubel, Yufeng Jiang,
Yu Chai, Paul Y. Kim, Joe Forth, Frances Hellman, Shaowei Shi,
Dong Wang, Brett A. Helms, Paul D. Ashby, Peter Fischer, Thomas P. Russell.
Science 365, 264–267 (2019) 19 July 2019 . Avec autorisation.

Les chercheurs ont fabriqué des cylindres de rapport d’aspect 2 en utilisant une méthode de microfluidique analogue au système d’impression à jet d’encre. Elle est schématisée dans la figure 2 ci-après.

Fig.2. Mise en forme des gouttelettes par impression 3D dans des tubes microfluidiques. On peut optimiser la forme des gouttelettes en variant le débit de la phase aqueuse (nanoparticules de Fe3O4-éµlCO2H dans l’eau) et celui de la phase huileuse (POSS-NH2 dans le toluène dans le tube téflon où les deux fluides se mélangent . Barres d’échelle : 1 mm. Tiré de Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets Xubo Liu, Noah Kent, Alejandro Ceballos, Robert Streubel, Yufeng Jiang, Yu Chai, Paul Y. Kim, Joe Forth, Frances Hellman, Shaowei Shi, Dong Wang, Brett A. Helms, Paul D. Ashby, Peter Fischer, Thomas P. Russell. Science 365, 264–267 (2019) 19 July 2019 . Avec autorisation. Fig.2. Mise en forme des gouttelettes par impression 3D dans des tubes microfluidiques. On peut optimiser la forme des gouttelettes en variant le débit de la phase aqueuse (nanoparticules de Fe3O4-éµlCO2H dans l’eau) et celui de la phase huileuse (POSS-NH2 dans le toluène dans le tube téflon où les deux fluides se mélangent . Barres d’échelle : 1 mm. Tiré de Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets Xubo Liu, Noah Kent, Alejandro Ceballos, Robert Streubel, Yufeng Jiang, Yu Chai, Paul Y. Kim, Joe Forth, Frances Hellman, Shaowei Shi, Dong Wang, Brett A. Helms, Paul D. Ashby, Peter Fischer, Thomas P. Russell. Science 365, 264–267 (2019) 19 July 2019 . Avec autorisation.

Fig.2. Mise en forme des gouttelettes par impression 3D dans des tubes microfluidiques.
On peut optimiser la forme des gouttelettes en variant le débit de la phase aqueuse (nanoparticules de Fe3O4-CO2H dans l’eau) et celui de la phase huileuse (POSS-NH2 dans le toluène) dans le tube téflon où les deux fluides se mélangent . Barres d’échelle : 1 mm.
Tiré de Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets
Xubo Liu, Noah Kent, Alejandro Ceballos, Robert Streubel, Yufeng Jiang,
Yu Chai, Paul Y. Kim, Joe Forth, Frances Hellman, Shaowei Shi,
Dong Wang, Brett A. Helms, Paul D. Ashby, Peter Fischer, Thomas P. Russell.
Science 365, 264–267 (2019)  Supp. Mat. 19 July 2019 . Avec autorisation.
Les cylindres ainsi obtenus ont toutes les propriétés des aimants permanents.

Les cylindres ainsi obtenus ont toutes les propriétés des aimants permanents. Sur la vidéo 1, on voit un de ces aimants placé devant un solénoïde en aluminium. On alimente ce dernier qui produit une variation spatiale du champ magnétique opposée à l’aimantation de l’aimant liquide .Celui-ci se retourne avant d’être attiré dans le solénoïde.

 

Vidéo 1. Une gouttelette de liquide ferromagnétique est attirée dans un solénoïde. Un cylindre magnétisé de liquide ferromagnétique effectue une rotation pour s’aligner avec le champ du solénoïde avant d’être  attiré dans celui-ci. Le volume du cylindre est de 2 µL, sa longueur de 2mm. La vitesse de défilement est multipliée par 4.
Tiré de Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets
Xubo Liu, Noah Kent, Alejandro Ceballos, Robert Streubel, Yufeng Jiang,
Yu Chai, Paul Y. Kim, Joe Forth, Frances Hellman, Shaowei Shi,
Dong Wang, Brett A. Helms, Paul D. Ashby, Peter Fischer, Thomas P. Russell.
Science 365, 264–267 (2019) Supp. Mat. 19 July 2019 . Avec autorisation.

Indépendamment du système microfluidique c-dessus, les goutteletes de liquide ferromagnétique peuvent être reconfigurées à volonté., par exemple en forçant leur passage à travers un capillaire de diamètre inférieur au leur.. En augmentant le pH de leur solution, les nanoparticules retrouvent leur forme sphérique et inversement.

On a donc un contrôle de l’état magnétique et de la forme des gouttelettes de FLD.

Si ces gouttelettes sont placées dans un champ magnétique extérieur tournant (comme celui engendré par un aimant permanent en rotation), elles sont entraînées comme on le voit sur la vidéo 2.


Vidéo 2. Figure dynamique formée par 12 cylindres  de FLD flottant dans le toluène. Images en temps réel.

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Cet effet peut être  utilisé pour séparer des gouttes de ferrofluide paramagnétique de gouttes de liquide ferromagnétique qui sont plus fortement attirées. En témoigne la vidéo 3 ci-après.

Vidéo 3. Des gouttes de liquide ferromagnétique sont séparées de gouttes paramagnétiques à l’aide d’un aimant permanent en rotation.

Des gouttelettes sphériques de liquide ferromagnétique (en jaune pâle) tournent  avec le champ magnétique et forment une structure due aux forces magnétiques et hydrodynamiques. Les gouttes rouge et vert fluorescent se déplacent au hasard et sont expulsées de la partie centrale par le tourbillon.

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Xubo Liu, Noah Kent, Alejandro Ceballos, Robert Streubel, Yufeng Jiang,Yu Chai, Paul Y. Kim, Joe Forth, Frances Hellman, Shaowei Shi,Dong Wang, Brett A. Helms, Paul D. Ashby, Peter Fischer, Thomas P. Russell.Science 365, 264–267 (2019) Supp. Mat. 19 July 2019 . Avec autorisation.

 

La transformation d’un ferrofluide en un liquide ferromagnétique se fait via la concentration à l’interface de nanoparticules d’oxyde de fer associées à un tensioactif. Les gouttelettes de liquide ferromagnétique possèdent à la fois les caractéristiques d’un liquide et les propriétés magnétiques d’un solide ferromagnétique. On peut modifier leur forme sans perdre leurs propriétés magnétiques. On peut exploiter les interactions répulsives et attractives entre les gouttelettes ferromagnétiques pour les séparer, les faire tourner de façon contrôlée et les disposer en arrangements géométriques. La formation des gouttes de liquide ferromagnétique est d’ailleurs réversible. L’assemblage à l’interface des nanoparticules d’oxyde de fer en présence de tensioactifs est sensible aux stimuli extérieurs. Tout ceci permet de concevoir des systèmes où l’on puisse commander à distance des mouvements de translation et de rotation à l’aide d’un champ magnétique extérieur.

 

 

 

 

Pour en savoir plus :

Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets

Xubo Liu, Noah Kent, Alejandro Ceballos, Robert Streubel, Yufeng Jiang,

Yu Chai, Paul Y. Kim, Joe Forth, Frances Hellman, Shaowei Shi,

Dong Wang, Brett A. Helms, Paul D. Ashby, Peter Fischer, Thomas P. Russell.

Science 365, 264–267 19 July 2019

 

An attractive, reshapable material
Jamming the nanoparticles of a ferrofluid on droplet surfaces creates a soft ferromagnet
Rémi Dreyfus
Science 365,1 219, 9 July 2019