Los ferrofluidos son divertidos e hipnóticos.Estos materiales extraños y con estética alienígena han tenido obsesionados a los científicos durante casi dos siglos, y sus vídeos compiten en internet con los de gatitos. Hay cierta sensación relajante en observar el movimiento de las ‘espinas’ de un ferrofluido sometido a la fuerza de un imán.
Pero ¿qué es un ferrofluido? ¿Quién los inventó y para qué? ¿Por qué tienen esa forma tan extraña? Y quizá lo más importante: ¿sirven de algo o solo son bonitas estructuras que ‘bailan’ ante las cámaras? Para resolver algunas de estas preguntas, vamos a retroceder hasta el siglo XVIII y a repasar la física del instituto. Tranquilos, habrá dibujitos y vídeos hipnóticos.
¿Qué es un ferrofluido y de dónde salen?
Un ferrofluido es una sustancia sintética formada por nanopartículas ferromagnéticas (magnetizables basados en hierro) cubiertas por una capa surfactante y disueltas en una solución orgánica u acuosa. ¿Un poco caótico? Seguro que la explicación del siguiente apartado ayuda mucho a entender todo esto, que es más intuitivo de lo que parece.
Los primeros intentos por conseguir un material tan complejo vinieron por parte de Gowan Knight en 1779, tal y como cuenta su compañero Benjamin Wilson en una carta a Joseph Banks, explorador naturalista de la Royal Society interesado en estos procesos. Según estos apuntes, Gowan Knight pasó horas tratando de dar con la combinación adecuada de partículas de hierro, imanes y agua. Sin embargo, fue víctima de la limitada tecnología de su tiempo. Ahora podemos hacer cosas muchísimo más chulas.
Más de un siglo después, F. Bitter produjo en 1932 una “suspensión coloidal de magnetita en agua” tras diluir en agua partículas ferromagnéticas de 104 Å (0,000001 metros). Pero aún quedaría mucho que investigar. Hubo intentos posteriores con partículas de 200 Å por Elmore en 1938 y más pequeñas por Craik & Friffiths en 1958, aunque los ferrofluidos necesitaron más de dos siglos para ser una realidad tan fascinante.
Mientras tanto, la industria iba aprovechando algunas de estas invenciones. Por ejemplo, hacia 1940 algunos de estos líquidos de extrañas propiedades eran usados como líquido de freno. Pero no fue hasta 1963 que Steve Papell, ingeniero del entonces Lewis Research Center, patentase su «fluido magnético de baja viscosidad obtenido por la suspensión coloidal de partículas magnéticas».
En 1964, Ronald E. Rosensweig bautizó la rama como «ferrohidrodinámica», y un año más tarde Steve Papell pasaba a trabajar para la NASA en varios proyectos con estos materiales. Estaba naciendo una nueva industria. Una que había tardado 186 años en materializarse. Sin duda, esto pone de manifiesto la importancia de la investigación a largo plazo.
¿Por qué los ferrofluidos tienen esa forma tan rara?
Para entender la física tras este material es necesario comprender antes algo de física básica. Especialmente las fuerzas involucradas.
La fuerza gravitatoria la entendemos todos: es la que tira de los objetos hacia el núcleo de la Tierra, y los ferrofluidos no son una excepción. Luego tenemos la fuerza magnética, que tiene la particularidad de tener polos de atracción y repulsión, formando campos magnéticos tridimensionales en forma de burbuja.
Todos hemos visto la clásica imagen en la que se lanzan virutas de metal, como limaduras de hierro, sobre una superficie bajo la cual hay un imán. Una de las más cautivadoras la dibujó Henry Black Newton de 1913 (abajo). Estas grandes partículas metálicas nos enseñan la forma que los campos magnéticos toman en un plano. Sin embargo, el campo magnético es volumétrico, tridimensional.
Lo llamativo de la interacción de estas dos fuerzas es que la magnética es muchísimos órdenes de magnitud más fuerte que la gravitatoria. Es el motivo por el que un imán puede hacer levitar un trozo de metal. Algo así ocurre con los ferrofluidos, que como adelantábamos consisten en un líquido portador de nanopartículas ferromagnéticas. Al colocar un imán, las partículas se desplazan superando la gravedad.
Al igual que las limaduras sobre el plano, cuando observamos un ferromaterial bajo la fuerza de un imán sus ‘espinas’ apuntan en la dirección de las líneas de campo, que ocupan un espacio 3D. ¿Por qué no colapsan o salen despedidas? La clave está en el equilibrio de estas fuerzas básicas con otra fuerza menos conocida: las fuerzas de Van der Waals o fuerzas intermoleculares.
Ferrofluidos e imanes: un equilibrio perfecto entre fuerzas
Volvamos a 1779 y a Gowan Knight, e imaginemos por un instante que le vemos diluir en agua limaduras de hierro y colocar un imán bajo el plato. ¿Veríamos un ferrofluido? La respuesta es que no. Lo que sí observaríamos es un puñado de limaduras desperdigándose por la habitación al escapar del fluido y a otro puñado pegándose al fondo del plato.
Las fuerzas de Van der Waals presentes en el agua ayudan a mantener la tensión superficial, aunque no son nada comparadas con limaduras de hierro bajo fuerzas magnéticas. Por eso las limaduras atraviesan esta membrana entre agua y aire. No ocurre así con los materiales ferromagnéticos actuales, de los que mostramos una de sus ‘espinas’ bajo la acción de un imán:
Las fuerzas de Van der Waals de atracción y repulsión de las limaduras de hierro haría que estas se magnetizasen y uniesen entre sí. Para eso sirve el surfactante. Este cubre las nanopartículas ferromagnéticas e impide que se acerquen lo suficiente como para crear enlaces de Van der Waals. El resultado son conos ferrofluidos en equilibrio de varias fuerzas:
- Gravedad, que empuja de todo hacia abajo.
- Magnetismo, que ordena las nanopartículas a lo largo de las líneas de campo magnético.
- Fuerzas de Van der Waals del agua, que evitan que las nanopartículas rompan la tensión superficial de la misma.
- Surfactante, que aleja las nanopartículas ferromagnéticas lo suficiente entre sí como para que no se agrupen.
¿Para qué podemos usar los materiales ferrofluidos?
Los ferrofluidos están presentes en gran cantidad de aplicaciones, más allá de servir de base para grabar vídeos intrigantes sobre su mecánica. El cierre ferrofluido o ‘mecanismo de sellado rotativo de líquido magnético’ es ampliamente usado en la industria para generar vacío en grietas.
En ingeniería mecánica, los ferrofluidos se usan para reducir la fricción de varios componentes. Un imán de neodimio se desliza casi sin rozamiento sobre una superficie cubierta por una capa fina de ferrofluido, lo que tiene aplicaciones en movimiento de pequeñas cargas, ejes, cojinetes y rodamientos.
Desde hace casi cinco décadas usamos ferrofluidos para eliminar el calor de las bobinas de los altavoces. La forma cónica adoptada por este material es ideal para despejar calor cuando el electroimán está encendido, y se vuelve líquido cuando está apagado.
Otra aplicación biotecnológica interesante es su presencia en el contraste usado para la imagen en combinación con máquinas de resonancia magnética. La velocidad con la que el ferromaterial regresa a su posición original es muy útil para analizar algunas imágenes del interior del cuerpo.
Además, se ha propuesto un tipo de propulsión pasiva para satélites diminutos, como los CubeSats, basada en chorros de partículas ferromagnéticas al escapar del ferrofluido una vez en órbita. Sería una interesante alternativa basada en la propulsión iónica.
El número de usos y las propiedades mejoradas de los diferentes materiales ferrofluidos no deja de aumentar. Son un avance fantástico de lo que podrían ser materiales como el grafeno si se le dedica el tiempo e investigación suficiente.
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Imágenes | iStock/mputsylo, iStock/anyaivanova, Henry Black Newton, manfredrichter
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Excelente explicación, me encanto el tema, la manera sencilla como se dio a entender el mismo y la ciencia detrás del él. Gracias por la explicación y por traer esos temas.
El tema es fascinante y la explicación muy buena para uno que no tiene mayores conocimientos de esta materia.
Alucinante, sobre todo la parte de la utilidad de estos materiales.