Научно-исследовательская работа "Ферромагнитная жидкость".

Содержание

Глава I ВВЕДЕНИЕ с.3

1. Цель и задачи работы с.3

2. Актуальность работы с.4

3. Гипотеза с.4

Глава II ИЗ ГЛУБИНЫ ВЕКОВ с.4

1. Наноистория и нанореволюция с.4

2. Наноразмер с.5

Глава III ЗАГАДКА НАНОМИРА. МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ с.5

1. История открытия ферромагнитной жидкости с.5

2. Получение магнитной жидкости в школьной лаборатории с.5-7

3. Изучение свойств магнитной жидкости с.8

Эксперимент №1 Взаимодействие МЖ с магнитным полем с.8

Эксперимент № 2 Изготовление «магнитной» бумаги с.8

Эксперимент № 3 Эффект Тиндаля с.9

Эксперимент № 4 Исследование поведения МЖ в этаноле с.9

Эксперимент № 5 Удаление с поверхности воды загрязнений из машинного масла с.10

Эксперимент № 6 Разрушение магнитной жидкости кислотами с.10

5. Применение магнитной жидкости с.11

Глава IV ЗАКЛЮЧЕНИЕ с.12-13

Литература и интернет источники с.14

Приложение 1 с. 15

Приложение 2 с.16

Приложение 3 с.17

«Нанотехнологии – это ворота,

открывающиеся в совершенно новый мир».
Р. Колвелл

Глава I. ВВЕДЕНИЕ

Конец прошлого и начало нынешнего века ознаменовались бурным ростом интереса к нанотехнологиям. О нанотехнологиях говорится очень много и на самых различных уровнях. Тема развития нанотехнологий часто поднимается в средствах массовой информации и в выступлениях политиков. При этом говорится о начале новой нанотехнологической революции и XXI век называют веком нанотехнологий .В природе нанороботы и нанофабрики работают уже миллиарды лет. Никого не удивляет то, что всего из одной яйцеклетки вырастает человек. Сегодня в промышленных масштабах производятся такие изделия, что по сравнению с ними гвозди, которыми Левша подковал блоху, все равно, что египетские пирамиды рядом с детскими кубиками.

Цель работы

Получить и изучить свойства ферромагнитной жидкости в школьной лаборатории

Задачи работы

• Изучить историю развития нанотехнологий

• Разработать методику получения ферромагнитной жидкости в школьной лаборатории

• Изучить свойства ферромагнитной жидкости

• Ознакомится с новейшими достижениями в области наножелеза и примерами использования его в повседневной жизни.

Актуальность работы

Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности её поражают воображение, мощь – вселяет страх.

Технологии получения магнитных жидкостей и применения их в различных областях современной науки и техники, биологии и медицины являются, безусловно, актуальными. Они представляют большой интерес для специалистов в физике, химии, технике, биологии и медицине. Перспективы применения магнитной жидкости неисчерпаемы.

Гипотеза

Мы выдвинули гипотезу: «Можно ли в школьной лаборатории получить нанообъект - магнитную жидкость и исследовать ее свойства»

Глава II . ИЗ ГЛУБИНЫ ВЕКОВ

Ученые говорят о применении «нанотехнологии» еще в древности. В средние века ремесленники-гончары из провинции Умбрия использовали нанотехнологии. В эпоху Ренессанса достаточно широко использовались наночастицы золота и серебра при изготовлении витражных стекол, красота и богатство красок, которых восхищают нас до сих пор.

Дедушкой нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. 2400 лет назад он впервые использовал слово “атом” для описания самой малой частицы вещества.

Официальным моментом рождения понятия «нанотехнология» считают 29 декабря 1959 года, когда нобелевский лауреат профессор Ричард Фейнман выступил с лекцией «Внизу полным-полно места». В ней он рассказал, что принципы физики не запрещают манипуляции с отдельными атомами и в будущем человечество сможет синтезировать все, что угодно прямо из атомов. Чтобы стимулировать интерес к этой области, Фейнман назначил приз в $1000, тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке, (это осуществилось уже в 1964 году.)

1974 году Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово “нанотехника”, предложив называть так механизмы размером менее 1 микрона. Открытие фуллеренов, нанотрубок, графена стало настоящей революцией в нанотехнологии.

В переводе с латыни нано означает маленький, а с греческого “ nanos”- гном (карлик). В настоящее время “нано” используется как приставка, обозначающая размерность 10^-9 метра. Это одна миллиардная часть!

Глава III. ЗАГАДКА НАНОМИРА. МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ

Магнитная жидкость - жидкость, притягиваемая магнитом, то есть реагирующая на магнитное поле. Она представляет собой коллоидный раствор мельчайших частиц магнитного материала (обычно магнетита Fe₃O₄ или феррита), устойчивую взвесь твёрдых частиц в жидкости.

История открытия ферромагнитной жидкости

Магнитные жидкости были почти одновременно синтезированы в США и России в середине 60-х годов двадцатого века. Первые магнитные жидкости были получены американцем Пайпеллом, в результате механического измельчения частиц магнетита в шаровых мельницах. В России родоначальником магнитожидкостных технологий был Дмитрий Васильевич Орлов.

Получение магнитной жидкости в школьной лаборатории

Для получения магнитной жидкости в школьной химической лаборатории мы использовали метод химической конденсации высокодисперсного магнетита, этод метод разработали отечественные учёные М.А. Лунина, Е.Е. Бибик и Н.П. Матусевич.

В основе метода лежит реакция солей железа (II) и (III) в щелочной среде:

FeSO₄·7H₂O+2FeCl₃·6H₂O+8NH₃·H₂OFe₃O₄ + 6NH₄Cl + (NH₄)₂SO₄ + 20H₂O

Оборудование

• Аптечные весы с набором разновесов.

• Колбы, химические стаканы, фарфоровые стаканы.

• Фильтровальная бумага, индикаторная бумага, воронка.

• Сильный магнит, желательно кольцевой (из динамика).

• Электроплитка и термометр.

Реактивы

• Соли двух- и трёхвалентного железа (хлорные или сернокислые).

• Аммиачная вода 25%-ной концентрации, дистиллированная вода

• Натриевая соль олеиновой кислоты (олеиновое мыло) (Моющее средство «Fairy»)

Экспериментальная часть

1. Растворите в 500 мл дистиллированной воды (можно при слабом подогреве и несильном помешивании) 24 грамма трехвалентной соли хлорида железа и 12 граммов двухвалентной соли сульфата железа.

2. Полученный раствор отфильтруйте на воронке в другую колбу через фильтровальную бумагу для отделения механических примесей.

3. В первую колбу, предварительно промыв её водой, залейте (осторожно!) около 100–150 мл аммиачной воды (работу лучше проводить под тягой или на открытом воздухе).

4. Очень осторожно, тонкой струёй вливайте из второй колбы отфильтрованный раствор в первую, содержащую аммиачную воду, и интенсивно взбалтывайте её. Коричневый раствор мгновенно превратится в суспензию чёрного цвета. Долейте немного дистиллированной воды и поставьте колбу с образовавшейся смесью на постоянный магнит на полчаса.

5. После того, как образовавшиеся частицы магнетита в виде «дождя» под действием сил магнитного поля выпадут на дно колбы, осторожно слейте около двух третей раствора, удерживая осадок магнитом, и снова залейте в колбу дистиллированную воду. Хорошенько её взболтайте и опять поставьте на магнит. Операцию повторяйте до тех пор, пока pH раствора не достигнет 7.5–8.5 (cлабощелочная реакция среды).

6. После того, как последней промывной раствор на две трети слит, загущённую суспензию отфильтруйте через бумажный фильтр на воронке и полученный осадок чёрного цвета смешайте с 7.5 грамма натриевой соли олеиновой кислоты. Вместо олеиновой кислоты можно использовать моющее средство „Fаiry“.

7. Смесь поместите в фарфоровый стаканчик и прогрейте до 80°С на электрической плитке, хорошо перемешивая, в течение часа.

8. Полученную «патоку» чёрного цвета охладите до комнатной температуры. Долейте 50–60 мл дистиллированной воды и тщательно размешайте получившуюся коллоидную систему.

9. Хранить водную магнитную жидкость желательно в светонепроницаемой таре в прохладном месте.

Свойства магнитной жидкости

Все экспернименты с магнитной жидкостью надо делать осторожно, не оставлять её рядом с магнитами.

Эксперимент № 1. Взаимодействие магнитной жидкости с магнитным полем

Нанесите каплю магнитной жидкости на предметное стекло или налейте магнитную жидкость в химический стакан, колбу, чашку Петри. Поднесите магнит. Перемещайте магнит по предметному стеклу или по колбе, сделайте рисунок.

Вывод. Магнитная жидкость взаимодействует с магнитным полем: если поднести магнит сбоку, то жидкость полезет на стенку и может подняться за магнитом как угодно высоко. Меняя направление движения магнитной жидкости, можно создать рисунок на стенке сосуда. Магнитная жидкость, налитая в чашку Петри, заметно вспучивалась при поднесении магнита. Образуются силовые лини магнитного поля: частицы магнетита выстраиваются в упорядоченные линии.

Эксперимент № 2. Изготовление «магнитной» бумаги

Фильтровальную бумагу пропитайте магнитной жидкостью и высушите. Поднесите магнит к фильтровальной бумаге.

Вывод. Наночастицы магнитной фазы, заполнив поры бумаги, придали ей слабые магнитные свойства – бумага непосредственно притягивается к магниту и удерживается на нем. Нам удалось с помощью магнита вытащить из стакана через стекло фигурку, изготовленную из «магнитной» бумаги.

Эксперимент № 3. Эффект Тиндаля

Добавьте в дистиллированную воду немного магнитной жидкости и тщательно перемешайте раствор. Пропустили через стакан с дистиллированной водой и через стакан с полученным раствором луч света от лазерной указки. Лазерный луч проходит через воду, не оставляя следа, а в растворе магнитной жидкости оставляет светящуюся дорожку.

Вывод. Основа появления конуса Тиндаля – рассеяние света коллоидными частицами, в данном случае частицами магнетита. Если размер частицы меньше длины полуволны падающего света, то наблюдается дифракционное рассеяние света. Свет огибает частицы и рассеивается в виде волн, расходящихся во все стороны.

В коллоидных системах размер частиц дисперсной фазы составляет
10^-9 - 10^-7 м, т.е. лежит в интервале от нанометров до долей микрометров. Эта область превосходит размер типичной малой молекулы, но меньше размера объекта, видимого в обычном оптическом микроскопе.

Эксперимент №4. Исследование поведения магнитной жидкости в этаноле

В этиловый спирт добавили небольшое количество полученной нами магнитной жидкости. Тщательно перемешали. Наблюдали за скоростью оседания частиц магнетита.

Вывод. Частицы магнетита осели за 2-3 минуты вне магнитного поля. Магнетит осел в этаноле компактно в виде сгустка, перемещается вслед за магнитом, не оставляет следа на стенке пробирки. Оставленный в таком положении магнитная жидкость сохраняется в течение длительного времени вне магнитного поля.

Эксперимент №5. Удаление с поверхности воды загрязнений из машинного масла

В воду налили немного машинного масла, затем добавили небольшое количество магнитной жидкости. После тщательного перемешивания дали смеси отстояться.

Вывод. Магнитная жидкость растворилась в машинном масле. Под действием магнитного поля пленка из машинного масла с растворенной в нем магнитной жидкостью начинает стягиваться к магниту. Поверхность воды постепенно очищается.

Эксперимент № 6. Разрушение магнитной жидкости кислотами

Добавьте в магнитную жидкость раствор серной или соляной кислот, нагрейте над пламенем спиртовки.

Вывод. Поскольку магнитная жидкость представляет собой коллоидный раствор магнетита, она разрушается под действием сильных минеральных кислот. Наблюдается постепенное растворение магнетита в кислотах.

Fe₃O₄ + 8HCl_(разб.) = FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O

Fe₃O₄ + 4H₂SO_4(разб.) = FeSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + 4H₂O

Применение магнитной жидкости

Сейчас для магнитных жидкостей придумали множество полезных применений: Магнитные жидкости находят широкое применение в технике в качестве магнитных смазок, она снижает трение на 20 % эффективнее. Применение магнитной жидкости для уплотнения вращающихся валов позволяют существенно увеличить ресурс механизмов и снизить уровень шума.

Магнитные жидкости используют для обогащение полезных ископаемых.

Магнитную жидкость можно применять для сбора нефтепродуктов на поверхности морей, океанов, озер. Магнитные жидкости находят широкое применение в медицине: в хирургии, в качестве контрастного средства при рентгеноскопии, так как частицы активно поглощают рентгеновские лучи, при лечении раковых заболеваний. Противоопухолевые препараты, к примеру, вредны для здоровых клеток. Но если их смешать с магнитной жидкостью и ввести в кровь, а у опухоли расположить магнит, магнитная жидкость, а вместе с ней и лекарство сосредоточиваются у пораженного участка, не нанося вреда всему организму.

Глава IV.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Магнитные жидкости – это уникальный искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекучими и магнитоуправляемыми свойствами с широкими перспективами применения в технике, медицине, экологии.

Мы думаем, что решили проблему своей работы, так как была изучена история становления нанонауки, проведен эксперимент по получению магнитной жидкости.

В настоящее время развитие нанотехнологий и разработка методик создания и изучения нановещества может быть названа одной из важнейших областей науки XXI века. Как говорил знаменитый физик Фейнман, проникновение в наномир – это бесконечный путь человека, на котором он практически не ограничен материалами, но следует лишь за собственным разумом. Когда учёные смогут ещё точнее управлять химическими и физическими свойствами наночастиц, миру откроются самые невероятные чудеса, которые придут в каждый дом!

Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и полностью изменить не только экономику, но и среду обитания человека. Остается только надеяться, что люди разумно распорядятся потенциалом нанотехнологий и направят их энергию во благо человечества

Нами было проведено анкетирование учащихся 8-11 классав. В результате было выяснено, что практически большинство учащихся, не знают, что такое нанотехнологии, но знают, что без них нельзя жить. Анкетирование показало все единогласно считают, что нанотехнологии нам нужны, но только 33% из опрошенных учащихся знают о нанотехнологиях, 50 % учащихся предполагают областью применения нанотехнологии является медицина и биология, 30 % - физика и химия, 20 % - энергетика и машиностроение. На вопрос хотели бы в дальнейшем связать свою будущую профессию с нанотехнологиями 60 % ответили «да», но при таком большом желании, только 20 % считают полезным изучение нанотехнологии на элективных уроках, 30% против этого и 50 % еще сомневаются.

Работа показала нам, что область применения нанотехнологий гораздо шире. И возможно в ближайшем будущем в школьном курсе появится такая новая дисциплина как «Нанохимия» или «Нанотехнологии».

Литература

1. Брук Э., Фертман В.Е. «Еж» в стакане. Магнитные материалы. – Минск.: Высшая школа, 1983. – 253

2. А.И. Еремин В.В., Дроздов А.А. Нанохимия и нанотехнологии. 10-11 классы. Профильное обучение. Учебное пособие – М.:Дрофа, 2009

3. Гусев Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М., Физматлит, 2005.

Роснано. Список терминов.

1. Контарев А.В., Стадник С.В., Лешуков В.А. Применение магнитных жидкостей // Успехи современного естествознания. – 2006. – № 10 – с. 67

2. Разумовская И.В. Нанотехнология. 11 класс. Учебное пособие. – М.:Дрофа, 2009

3. Ратнер М., Ратнер Д. Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи. / Пер. с англ. – М.: Вильямс, 2004. С. 20–22.

4. Сенатская И.И., Байбуртский Ф.С. Жидкость, которая твердеет в магнитном поле// Химия и жизнь. – 2002. – №10.

5. Сергеев Г. Б. «Нанохимия», 2003.

6. Энциклопедия для детей “Аванта. Техника”.

7. Энциклопедия “Золотой фонд. Физика”

Интернет источники

http://popular.rusnano.com

http://www.rusnano.com

http://www.en.wikipedia.org

http://nanoru.ru,

http://www.nanometer.ru, http://www.nanotech.ru

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

17