Síntese de um Ferrofluido

Aqui um procedimento interessantíssimo, muito indicado para feiras de ciências, modificado do artigo original "Preparation and Properties of an Aqueous Ferrofluid" dos autores Patricia Berger, Nicholas B. Adelman, Katie J. Beckman, Dean J. Campbell, Arthur B. Ellis, and George C. Lisensky" [1]

Ferrofluidos são suspensões coloidais de nanopartículas magnéticas. Eles respondem a campos magnéticos externos fazendo com que regiões dessas soluções sejam controladas pela aplicação de um campo magnético. Nanopartículas de óxido férrico (magnetita, Fe₃O₄) podem ser produzidas misturando íons Fe(II) e Fe(III) em meio básico. É necessário um surfactante para que as partículas permaneçam finamente divididas e separadas umas das outras, mantendo um equilíbrio coloidal.

Se uma imagem vale por mil palavras, um vídeo vale por mil imagens... (não resisti ao trocadilho.. :o) Veja um vídeo de um ferrofluido em ação!

Com um aspecto alienígena e bizarro, com certeza nos trará horas e horas de diversão em experimentos!

Cheque se a sua solução de Fe(II) está em bom estado, já que esses íons oxidam-se lentamente para Fe(III) quando reagem com o oxigênio do ar. A maneira mais fácil de verificar isso, é pela comparação das cores. Íons Fe(II) geram uma solução esverdeada, Fe(III) uma solução marrom.

1mol/L FeCl3 em 2mol/L (+-15%) HCl (esquerda)

2mol/L FeCl2 em 2mol/L (+-15%) HCl (direita)

Adicione 4.0ml de 1mol/L de FeCl₃ e 1.0ml de 2mol/L FeCl₂ em um bequer de 100 ou 150ml. Agite com um bastão de vidro ou agitador magnético.

Continue agitando completamente a solução e adicione em um período de 5 minutos 50ml de NH3 aquoso (1.0mol/L). Depois da formação do precipitado marrom, um precipitado preto irá formar-se (magnetita). Uma maneira de executar esta adição é pingar lentamente a amônia através de uma bureta ou funil de separação, ou até mesmo utilizando um conta gotas. Após isso, desligue o agitador e imediatamente utilize um ímã forte para retirar a barra de agitação do béquer.

Deixe o sistema em repouso para que a magnetita decante. Você pode acelerar o processo colocando novamente um ímã embaixo do frasco. Decante o líquido sobrenadante sem perder uma quantidade substancial do sólido. Funciona melhor se for mantido o ímã sob o frasco, como no processo anterior.

Transfira o precipitado para outro frasco mais apropriado, decantando o máximo de solvente que conseguir.

Agora adicione de 1-2 mL de uma solução de TMAOH (hidróxido de tetrametilamonio, encontrado em lojas específicas de produtos químicos) a 25% de concentração. Mexa gentilmente com um bastão de vidro por pelo menos 1 minuto para suspender o sólido no líquido. Após agitar bem, use um ímã forte para, novamente, atrair o ferrofluido para o fundo (os magnetos de neodímio usados em HD´s são perfeitos para essa experiência). Descarte o líquido escuro sobrenadante várias vezes, o máximo que conseguir!

E o que acontece quando a posição do ímã é alterada abaixo do ferrofluido? Exatamente isso! Agora impressione-se e também aos seus familiares com sua experiência científica de ponta! ;)

TEORIA

Os ferrofluidos foram descobertos originalmente nos anos 60 pela NASA. Os cientistas queriam investigar os possíveis métodos para controlar líquidos no espaço. Os benefícios de um fluido magnético são imediatamente óbvios: a posição do fluido pode ser precisamente controlado através da aplicação de um campo magnético, e dependendo da força do campo, os fluidos podem ser forçados a fluir, de fato.

Os pesquisadores prepararam ferrofluidos contendo pequenas partículas de metais ferromagnéticos, como cobalto e ferro, assim como compostos magnéticos, como ferrites de zinco manganês (Zn_xMn_1-xFe₂O₄). Mas, os que dão melhores resultados são mesmo as partículas de magnetita, Fe₃O₄.

COMO ELES FUNCIONAM

Ferrofluidos contendo Fe₃O₄ podem ser preparados, como visto acima, combinando quantidades apropriadas de íons Fe(II) e Fe(III) em uma solução básica. Esta combinação causa a precipitação do óxido com valência misturada, o Fe₃O_4:  

2 FeCl₃ + FeCl₂ + 8 NH₃ + 4H₂O --> Fe₃O₄ + 8 NH₄Cl

Porém, as partículas de magnetita devem ser pequenas o suficiente para permanecerem suspendidas em meio líquido, em outras palavras, em estado coloidal. Para mantê-las pequenas o suficiente (nessa experiências, criamos magnetitas com aproximadamente 10nm de diâmetro), forças eletrostáticas e interações de van der Waals não devem estar substancialmente presentes. Assim uma precipitação, ou aglomeração não ocorre.

A atração de Van der Waals  entre duas partículas é forte quando elas ficam muito próximas umas das outras. Assim sendo, um método para prevenir essa aglomeração, pela força de Van der Waals, e também pelas forças eletrostáticas (sempre presentes em moléculas polares), é através da adição de um surfactante no sistema. Os surfactantes (eg. detergente) geram repulsões ou estéricas (relativo a forma geométrica da molécula) ou eletrostáticas entre as partículas magnéticas.

Por exemplo, o ácido cis-oléico pode ser usado em ferrofluidos baseados em óleos, para criar repulsões estéricas. Um surfactante é composto por uma longa cadeia hidrocarbônica com uma "cabeça" polar que permanece atracada na superfície da partículas de magnetita; assim uma cobertura é formada. A longa cadeira age como um repelente para prevenir a aproximação de outras partículas de magnetita:

Surfactantes iônicos como o TMAOH também pode ser usado, como no procedimento deste tópico. Ele produz uma repulsão eletrostática no meio aquoso. Os íons hidróxido permanecem ligados a superfície da magnetita, formando uma camada superficial negativamente carregada. O cátion tetrametilamonio é atraído por esta superfície negativa, formando uma camada positiva. Quando as partículas de magnetita aproximam-se umas das outras, ocorre uma repulsão eletrostática entre estas camadas carregas com a mesma carga, impedindo essa aproximação.

É a Química em Ação!! Boa sorte!!

[1] J. Chem. Educ., 76, 943-948 (1999)
[2] http://mrsec.wisc.edu/Edetc/background/ferrofluid/index.html

Liguem seus motores... de água

Aqui está um projeto muito interessante: pesquisadores iranianos descobriram que podem criar um vórtex em um fino filme de água simplesmente aplicando nela um campo elétrico ou eletrólise; podendo inclusive controlar sua velocidade e sua direção. O dispositivo consiste em uma célula eletrolítica quasi bidimensional, e assim que um campo elétrico externo ou a voltagem da eletrólise excede um determinado limiar, o finíssimo filme líquido formado na superfície começa a rotacionar.

O efeito descrito recentemente em uma pré-publicação, funciona bem o suficiente com água pura - mas adicione um pouco de glicerina e um pouco de detergente e o filme nanométrico pode girar por vários minutos antes de 'romper-se'. Além disso, este motor trabalha perfeitamente em ambas as correntes: alternada e contínua.

O vídeo mostra a rotação do finíssimo filme superficial sob um campo
elétrico variado e/ou eletrólise com voltagem variada.

Embora seja improvável que tal motor líquido mova o seu carro brevemente, os pesquisadores dizem que o efeito é útil para misturar fluídos em aplicações industriais ou no estudo da turbulência em duas dimensões.

Referências

[1] http://arxiv.org/abs/0805.0490
[2] http://softmatter.cscm.ir/FilmMotor/

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O segredo da lagartixa

A corrida para encontrar materiais "pegajosos" como o pé de uma lagartixa é intensa. Agora mais uma descoberta, segundo um relato publicado na última edição da Science por uma equipe formada por quatro instituições americanas.

Hoje em dia, os cientistas têm se interessado muito nessa habilidade que as lagartixas tem em percorrer livremente as paredes e tetos, sustentando-se apenas por suas patas. E já se passaram oito anos desde a descoberta de que esta habilidade está relacionada com a presença de milhares de pequeníssimos pêlos alinhados nos dedos das lagartixas. Estes pêlos elásticos ramificados tiram proveito de uma força atrativa em escala atômica (força de van der Waals, ou força de dipolo-induzido), que causam tamanha aderência e sustentam, surpreendentemente, cargas relativamente pesadas. Agora os pesquisadores encontraram uma forma de mimetizar o efeito causado por esses pêlos, usando polímeros ou nanotubos de carbono.

O novo material tem um poder de aderência três vezes mais forte (aproximadamente 100 newtons por centímetro quadrado) do que o recorde anterior, e nada menos que dez vezes mais forte do que os pés da lagartixa por si só. A pesquisa publicada na Science descreve uma melhoria baseada em um material constituído de nanotubos de carbono, que pela primeira vez criou uma força adesiva direcionalmente variada, ou seja, o novo material poderia dar aos pés artificiais da lagartixa a habilidade de aderência em superfícies verticais e ao mesmo tempo permitir que sejam facilmente desgrudados quando necessário.

Além desta primeira possibilidade encontrada pelos pesquisadores, o material pode ter muitas outras aplicações tecnológicas como unir dispositivos eletrônicos e substituir os adesivos convencionais no vácuo interespacial.

"A resistência a tensão de cisalhamento (força aplicada em sentidos opostos) mantém o adesivo de nanotubo preso fortemente na superfície vertical, mas você pode removê-lo facilmente puxando na direção certa" explica Dayton's Liming, um dos pesquisadores.

O segredo no novo material é o uso de uma matriz anisotrópica de nanotubos de carbono multi-facetada com os topos "encrespados" e dobrados, aumentando significantemente a área em contato com os átomos das superfícies, então as forças eletrostáticas em escala atômica interagem para gerar a forte aderência.

Puxando o material paralelamente a direção dos nanotubos, apenas suas pontas se mantém em contato e a força total atrativa é reduzida (veja a figura esquemática ao lado).

Referências

[1] Carbon Nanotube Arrays with Strong Shear Binding-On and Easy Normal Lifting-Off, Science, 322: 238-242, 2008
[2] http://academic.udayton.edu/LimingDai/
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Mais do que... Chocolate!

Ahh, o chocolate! Talvez a especiaria mais apreciada em todo o mundo, e provavelmente o produto alimentício com o maior número de adeptos EXTREMAMENTE CRÍTICOS! ;)

Não é por menos que os fabricantes gastam grandes fatias do seu orçamento em pesquisa de mercado, tentando descobrir o que exatamente o consumidor deseja e espera encontrar nesta substância.

E não adianta: o tipo 'perfeito' de chocolate não existe! As receitas variam muito de país em país. A aceitação de um tipo pode ser positiva em uma região, e simplesmente desastrosa em outra. O gosto pessoal é o fator primário nessa aceitação, e normalmente reflete a cultura histórica na produção de chocolate desses lugares. No méxico, por exemplo, pimenta é adicionada nos achocolatados.

Não é preciso dizer que o gosto do chocolate é determinado exclusivamente pela receita. Você pode perceber inclusive que há diferenças no gosto de um chocolate de uma determinada marca, produzido em lotes diferentes. Isso ocorre porque há diferenças em sua estrutura microcristalina; diferenças estas oriundas das técnicas de produção.

Essencialmente, o chocolate é formado por pequenos cristais que variam de diâmetro: de 0.01 mm a 0.1 mm. Essas partículas governam como o chocolate é percebido pelo consumidor.

Para sentirmos o flavor dos compostos no chocolate, eles logicamente devem alcançar nossas células gustativas e olfativas, porém a textura é muito importante. Você pode perceber sua textura na maneira que o chocolate derrete e quebra na boca.

O ingrediente chave é a manteiga de cacau [1]. Trata-se de uma gordura que possui pelo menos seis formas cristalinas diferentes, ou seja, suas moléculas organizam-se de diferentes maneiras para formar um sólido. Consequentemente, diferentes arranjos cristalinos levam a diferentes propriedades físicas no chocolate: mudança em seu ponto de fusão, sua resistência mecânica, brilho e textura.

A habilidade de uma substância em possuir diferentes formas cristalinas, é chamada de polimorfismo (veja a nota 1). Os detalhes do polimorfismo da manteiga de cacau são muito complexas e ainda é uma área de intensa pesquisa. Por outro lado, são conhecidas seis estruturas polimórficas mais aceitáveis pelo consumidor comparado com outras, e a mais utilizada é a forma cristalina convencionalmente denominada V (Forma V ou Fase V): essa forma é a mais lustrosa e macia.

Veja na tabela abaixo os principais tipos e características de cada forma cristalinas. Clique para ampliar:

E o chocolate "esbranquiçado"?

Também comemos com os olhos, e nada mais desagradável (nem tanto! rs) que ao abrirmos a embalagem, encontramos um chocolate recoberto com aquele "filme esbranquiçado". Na hora pensamos "tá estragado!!", mas não é bem assim. Esse 'filme' é produzido em determinadas condições, e está relacionado com a forma com que o chocolate cristaliza. Principalmente se o produto foi armazenado em condições 'erradas'.

Mas os dias do chocolate esbranquiçado podem estar contados, veja nas referência um estudo onde pesquisadores conseguiram evitar que esse filme seja produzido [4].

Notas

Nota 1 - Polimorfismo difere de alotropia, pois no primeiro as propriedades química permanecem idênticas.

Referências

[1] http://pt.wikipedia.org/wiki/Manteiga_de_cacau
[2] http://www.rsc.org/education/teachers
[3] Schenk and Peschar, Understanding the Structure of Chocolate, Radiation Physics and Chemistry 71, 829-835 (2004).
[4] http://www.esrf.eu/news/pressreleases/chocolate

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Microondas gelado?

O forno de microondas esquenta um copo de água? E se essa água estive congelada, o que acontece?

Microondas (também designadas SHF - Super High Frequency) são ondas electromagnéticas com comprimentos de onda maiores que os dos raios infravermelhos, mas menores que o comprimento de onda das ondas de rádio variando. Sua penetração e a sua perda de energia é diferente para substâncias diferentes. E vale ressaltar: para substâncias diferentes e em diferentes estados físicos.

Como já sabemos, a água possui uma boa permissividade para as microondas (permissividade absoluta na ordem de 800 a 25°C), e isso porque sob a influência de um campo elétrico, as moléculas dielétricas da água (ou qualquer outra substância polar) rodam e oscilam periodicamente. Como as microondas não afetam as ligações químicas diretamente, o calor é gerado através da colisão e fricção entre as partículas.

Em frequências moderadas, a energia não é suficiente para afetar os dipolos da molécula da água, e essa energia é absorvida na forma de vibrações moleculares ressonantes.

Em frequências muito altas (como a radiação UV), a energia é puramente absorvida pelos átomos, excitando diretamente os elétrons. Assim, essa frequência é classificada como radiação ionizante.

No gelo, por outro lado, as moléculas da água estão rigidamente ancoradas no retículo cristalino, e dificilmente são afetadas pelas microondas, que simplesmente o atravessam inalteradas. Em contraste com a água, a permissividade absoluta do gelo fica na ordem de 40 a 25°C.

O espectro da permissividade dielétrica sob um larga faixa de frequências. Vários processos são destacados na imagem: relaxação iônica e dipolar, e a ressonância atômica em altas energias. [4]

A seguinte demonstração pode ilustrar isso: um copo de água e algumas pedras de gelo são colocadas dentro de um forno microondas. Ao ligar o microondas percebemos que após alguns segundos a água no copo entrará em ebulição e o gelo permanecerá inalterado!

Referências

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Permittivity

[2] Peter Y. Yu, Manuel Cardona (2001). Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties. Berlin: Springer, pp. 261 ff. ISBN 3540254706.

[3] Permissividade é uma constante física que descreve como os campos elétricos afetam, e são afetamos por um meio dielétrico, e é determinado pela abilidade de um material em polarizar-se em resposta ao campo. Assim, a permissividade está relacionada com a abilidade de um material transmitir e absorver um campo elétrico.

[4] Dielectric spectroscopy de Dr. Kenneth A. Mauritz.