Nano-Ferrofluide

Nano-Teilchen, die in Flüssigkeiten stabil suspendiert sind

Wenn Nano-Teilchen in Flüssigkeiten (Wasser etwa oder Öl) stabil suspendiert sind, spricht man von Nano-Fluiden. Im Falle von Nano-Ferrofluiden sind die Nano-Partikel metallisch und damit magnetisierbar. Stabile Suspensionen solcher Teilchen, bei denen die dipolare Wechselwirkung unterdrückt ist und die darum kein eigenes magnetisches Moment besitzen, können durch Anlegen eines externen Magnetfeldes bedarfsgenau gesteuert werden, insofern sich die Nano-Dipole tangential zu den Linien des angelegten Feldes orientieren, um sich nach dessen Entfernung wieder chaotisch zu verteilen. In der Dynamik dieses Prozesses wirken Magnetkraft, Oberflächenenergie und Schwerkraft zusammen. Die Komplexität des spannungsvollen Wechselspiels der Kräfte wird durch die paradoxe „Stacheligkeit“ (Rosenzweig-Effekt), die die Oberfläche eines Ferrofluides im inhomogenen Magnetfeld zeigt, sinnenfällig angedeutet.

Eine industriell bedeutende Version von Eisen-Flüssigkeiten ist das sogenannte magnetorheologische Material. Pigmente aus reinem Eisen finden sich hier in einem Öl mit hoher Viskosität dispergiert. Bei den bislang produzierten und vermarkteten Werkstoffen dieses Typs war die hohe Viskosität insofern unvermeidlich, als die hinsichtlich ihrer Größe im Bereich von Mikrometern angesiedelten Eisenpigmente nur so einigermaßen gegen Agglomeration und Sedimentation abgesichert werden konnten. Demgegenüber sind die von Power Fluide GmbH entwickelten und hergestellten magnetorheologischen Flüssigkeiten, obwohl sie ebenfalls auf Öl basieren, in Hinsicht auf ihre Viskosität flexibel. Hinzugefügte Cobalt-Eisen Nanopartikel, die den Gesetzen der Brownschen Bewegung folgen, verhindern hier sowohl das Absinken als auch die Verklumpung der Eisenpigmente. Deshalb kann die Viskosität der von Power Fluide angebotenen magnetorheologischen Flüssigkeiten je nach Kundenanforderung unterschiedlich eingestellt werden.

Herstellungsverfahren

In der Herstellung magnetischer Spezialtinten fehlt es uns ebenso wenig an Erfahrung wie an der nötigen konzeptionellen Kreativität. Power Fluide GmbH verfügt über die Voraussetzungen und das Know-How, um auch große Mengen von MICR Tinte bzw. speziellen Nano Ferrofluiden mit gleichbleibend hoher Qualität herzustellen..

Es ist uns im Rahmen einer extensiv angelegten Versuchsreihe gelungen, ein ungewöhnlich einfaches Verfahren zur Produktion im industriellen Maßstab zu entdecken. Es folgt zunächst einmal im Prinzip dem in der Nanotechnologie vielfach bewährten, auf einen relativ niedrigen Temperaturbereich der Reaktionen ausgelegten nasschemischen „bottom-up“ Ansatz. In der von uns entwickelten Modifikation kann es zudem insofern als vollkommen natürlich bezeichnet werden, als dabei ausschließlich Naturelemente – fein dosiert – dazu genutzt werden, um sich selbst organisierende Prozesse der Teilchen-Keimbildung und des Teilchenwachstums anzustoßen, die aus metallischen Edukten (Atomen und Molekülen) kristallisierte und darum ferromagnetische Nanopartikel mit sehr schmaler, der Homogenität sich nähernder Größenverteilung entstehen zu lassen. Die Sicherheit bei der Hantierung konnten wir im Laufe der Jahre immer weiter steigern, dass wir den nanochemischen Ansatz ingenieurstechnisch den Eigenheiten nanoskaliger Synthesen gemäß in Richtung auf einen „flexible modular manufacturing process“ umsetzten. Ökonomisch bedeutende Konsequenz: jede erforderliche Produktmenge (zig tausend Liter) kann in überschaubaren Zeitspannen mit konstant hochwertiger Qualität hergestellt werden. Mit dem skizzierten Verfahren gewinnen wir zum Beispiel auch die MICR (MICR=Magnetic Ink Character Recognition). Tinten, die sich passgenau in den digitalen Hochleistungs-MICR-Scheckdruck, dem in vielen Ländern, vor allem in den USA, Großbritannien, Australien und Indien nach wie vor eine herausragende Bedeutung zukommt, abgestimmt auf die Maschinen des jeweiligen Druckerherstellers integrieren. (ca. 90% der Nutzung von Magnet Tinte zielt auf die Produktion von Bank-Schecks und Zahlungs- bzw. Überweisungsbelegen).

Nano-Partikel

Magnetflüssigkeiten bestehen aus magnetischem Material (subdomäne nulldimensionale Nanopartikel), das in einer Lösung so dispergiert ist, dass eine Agglomeration der Materialteilchen auch unter der Wirkung eines äußeren Magnetfeldes ausgeschlossen bleibt. Dies wird durch eine entsprechende Beschichtung der Partikel sichergestellt. Wird ein Magnetfeld vertikal angelegt, nehmen sie nahezu den Charakter von Feststoffen an. Stetig wächst der ökonomische Wert von Nanowerkstoffen, bestehend aus Teilchen. die mindestens in einer Dimension kleiner als 100 nm sind. Letztere befinden sich außerhalb von Magnetfeldern im thermodynamischen Gleichgewicht.

Geht es um Druckapplikationen zu Sicherheitszwecken, z.B. um den Druck der MICR Zeile von Schecks, so kommt es vor allem auf eine präzise Justierung der Teilchengröße des magnetischen Materials im Nanobereich an. Zwei Parameter sind dafür ausschlaggebend: die Nozzlegröße der Inkjet-Druckköpfe einerseits und die von den Magnetlesegeräten geforderte Signalstärke (Sättigungsmagnetisierung) andererseits.

Zu den Anwendungen