Nanotechnologie experimenten ferrofluid - magisch zand - microscopie

Transcriptie

1 Nanotechnologie experimenten ferrofluid - magisch zand - microscopie Zuivere ferrofluid, ferrofluid in waterig buisje, magnetisch zand Demonstratie Veiligheidsvoorschriften Laat de reageerbuizen niet vallen! Open de reageerbuizen niet. Schud de reageerbuizen niet. In geval van contact met de huid was je de huid overvloedig met water en zeep. Als de reageerbuis breekt, giet het ferrofluidum dan niet zomaar weg, het is klein gevaarlijk afval. Houd het uit de buurt van vuur. Experiment: Breng een magneet langs de onderkant langzaamaan dichter bij de ferrovloeistof of dichterbij het buisje met water en bruine vloeistof. Wat gebeurt er? Doe hetzelfde met het buisje met magnetisch zand. Wat gebeurt er? Waarneming: Wanneer je een magneet dichterbij brengt verandert de vloeistof ineens in een soort zee- egel; een klont waar stekels uitkomen. Het is een vloeistof met eigenstoffen van vloeistof en vaste stof. Wanneer je de stof in de buurt brengt van een magnetisch veld gaat de stof over van vloeistof naar vaste stof en zodra de magneet (magnetisch veld) weg is, wordt het weer vloeistof. Verklaring: Het lijkt magie, maar deze ferrovloeistof werkt eenvoudiger dan je denkt. Eigenlijk is het niets meer dan een beetje olie waar een bepaalde soort minuscule ijzerdeeltjes in zitten (nanodeeltjes van magnetiet of ook wel ijzeroxide genoemd). Als je de vloeistof blootstelt aan een magnetisch veld, trekken de ijzerdeeltjes elkaar aan en ontstaan er gave vormen. De ijzerdeeltjes zijn eigenlijk allemaal heel kleine staafmagneetjes die in dezelfde richting gaan staan als je een sterke magneet in de buurt brengt, en zo elkaar gaan aantrekken en elkaar kleven. Zodra het uitwendige magnetisch veld weg is (de sterke magneet weggenomen), gaan de kleine staafmagneetjes van de magnetiet nanodeeltjes weer kris kras door elkaar staan, en wordt het weer gewoon een niet- magnetische vloeistof. Moeilijker uitgelegd: De ferromagnetische nanodeeltjes volgen de magnetische veldlijnen en gaan uit de vloeistof komen en in piekjes staan.wanneer het magnetisch veld weg is, verdwijnt de magnetisatie van de magnetiet deeltjes onmiddellijk en gaan de magneetjes opnieuw in alle richtingen staan. Dit noemt men ook wel SUPERPARAMAGNETISME. De stof reageert heel sterk op een magnetisch veld door in dezelfde richting als het magneetveld te gaan staan (zoals een gewone ferromagnetische stof) maar zodra het uitwendige magnetisch veld weg is, verliest het zijn magnetisme (zoals een paramagneet), terwijl een gewone ferromagnetische stof zijn magnetisme een tijdje (of permanent) houdt. Nanotechnologie experimenten graad 1_2 - Eef delfosse 01/12/2015 Page 1

2 Verschil met magnetisch zand: Als je een magneet in de buurt van magnetisch zand brengt gebeurt iets gelijkaardigs, maar toch niet helemaal hetzelfde. Magnetisch zand bevat dezelfde kleine ijzerdeeltjes (magnetiet), maar deze zijn niet zo klein als die in de ferrovloeistof (micro- deeltjes i.p.v. nanodeeltjes). Deze iets grotere deeltjes gedragen zich altijd zoals het ijzer dat wij kennen: ze reageren heel makkelijk en heel sterk op een magnetisch veld. Dus als we een magneet in de buurt brengen gaan de ijzerdeeltjes, die eigenlijk een hoopje staafmagneetjes zijn, zich in dezelfde richting richten en elkaar aantrekken, en dus piekjes vormen. Als we nu de magneet weg brengen van het magnetisch zand (en de zandkorreltjes niet schudden), dan blijft het zand nog even zijn magnetisatie behouden. Dit kan je zien door heel voorzichtig een kompas in de buurt te brengen. Je zal zien dat de naald van richting verandert en niet meer naar het noorden wijst. Dit komt doordat de naald reageert op het magnetisch veld afkomstig van het zand. Dus, moeilijk gezegd- het magnetisch zand gedraagt zich zoals een ferromagneet: heel sterke reactie op een magnetisch veld, en het behoudt tijdelijk zijn magnetisme wanneer het uitwendige magnetisch veld weg is. Toepassingen: Ferro- vloeistof wordt gebruikt voor het smeren van machines met veel bewegende onderdelen (bv bij draaiende harde schijven, luidsprekers) omdat de vloeistof dankzij de magneet op de juiste plaats blijft zitten. Men onderzoekt deze vloeistof ook om ze te gebruiken om heel speciale medicijnen te transporteren naar bepaalde plaatsen in je lichaam (gestuurd met magnetische velden). Men is ook bezig met een onderzoek om er kogelvrije kleding mee te maken, die soepel is maar onmiddellijk verandert in harde kogelvrije stof zodra er een kogel in de buurt komt (m.b.v. magnetisme). Filmpjes: Symbaloo Extra- niet verder uitgewerkt: Bestudeer de invloed van soorten magneten (vormen, sterktes). Vanaf welke afstand krijg je piekjes? Hangt de afstand af van de soort magneet die je gebruikt? Gebeurt de piekvorming telkens volgens hetzelfde patroon of is dit willekeurig? Antwoord- steeds volgens zelfde patroon. Eerst 1 punt, daarna 6 buren enz Nanotechnologie experimenten graad 1_2 - Eef delfosse 01/12/2015 Page 2

3 Ferrofluïd met extra olie Demonstratie Neem het kleine potje ferrofluïd. Hieraan werd extra parrafine- olie toegevoegd. Experimenteer met verschillende magneten (sterktes en vormen). Wat zie je? Wat zou een verklaring kunnen zijn? Wat zie je als je de magneet verplaatst? Waarin zou je dit kunnen gebruiken? Waarneming en verklaring: de vloeistof volgt de magneet. De magneet is niet meer sterk genoeg om piekvorming te krijgen. Toepassing: smeermiddel in voorwerp met bewegende delen. Ferrofluid met water Demonstratie Opmerking: Misschien is het nodig een nieuw mengsel te maken in een afsluitbaar potje omdat de inkt aan de rand van het potje blijft kleven. Wat kan je vaststellen over de 2 vloeistoffen? Hou de magneet aan de buitenkant. Wat gebeurt er? Hoe verklaar je dit? Waarvoor zou je dit eventueel kunnen gebruiken? Wat zou er gebeuren als je water, ferrofluid en olie samenbrengt? Waarneming en verklaring: De magneet trekt de olie- achtige vloeistof weg van het water (naar de magneet toe) doordat de olie magnetisch is geworden en niet mengt met water. Als je olie bij de ferrovloeistof doet, gaan beide stoffen mengen, ze mengen niet met water. Je zou de olie, gemengd met ferrovloeistof dan kunnen verwijderen uit het water door een magneet in het water te houden. (! Als je dit probeert, wikkel dan je magneet in plastic want de ferrovloeistof is niet van de magneet te verwijderen!) Dollarbriefje Leerling - experiment Experiment: leg een dollar briefje op tafel naast een papiertje van dezelfde grootte. Breng een magneet voorzichtig dichterbij. Wat gebeurt er? Is dit over het hele briefje hetzelfde? Heb je hiervoor een verklaring? Waarneming: Het briefje wordt door de magneet aangetrokken.de meeste aantrekking gebeurt op de plaats waar de bedrukking het zwartst is. Verklaring: Bij het maken van het dollarbriefje wordt ferromagnetische inkt met nanodeeltjes magnetiet (zoals ferrofluid) gebruikt.deze wordt magnetisch in een magnetisch veld en wordt dus aangetrokken door de magneet. Dit is één van de methodes die in toestellen wordt gebruikt om de echtheid van geld te controleren (naast beschijnen met UV licht en infrarood licht waarbij bepaalde patronen zichtbaar worden die niet zichtbaar zijn onder gewoon licht). Ferromagnetische klei Leerling - experiment Experiment: leg een knikker op de klei. Wat gebeurt er? Kan je er een paperclip mee opnemen? Leg een magneet op de klei. Wat gebeurt er. Heb je hiervoor een verklaring? Hou een magneet op een kleine afstand van de klei. Wat gebeurt er? Waarneming: De knikker blijft er gewoon op liggen. De magneet wordt naar binnen getrokken. Verklaring: Als je een knikker op de klei legt gebeurt er niets. Als je met de klei een paperclip probeert op te pakken, gaat het niet. Dus het is geen permanente magneet. Maar als je een magneet op de klei legt, wordt die magneet helemaal naar binnen getrokken. Nanotechnologie experimenten graad 1_2 - Eef delfosse 01/12/2015 Page 3

4 In de klei zitten hele kleine ferromagnetische deeltjes (magnetiet). Dit zijn miniscule ijzerachtige deeltjes die zelf magneetjes zijn, maar die buiten een magnetisch veld allemaal kris kras door elkaar zitten zodat ze in totaal niet meer werken zoals een magneet. Je kan dit vergelijken met een groepje leerlingen die allemaal tegelijk in alle richtingen duwen tegen iets, allemaal even hard, en het resultaat is dat het voorwerp gewoon blijft staan. Dus zo ook met deze magnetietdeeltjes- allemaal samen werken ze niet als een magneet en kan je er dus geen paperclip mee aantrekken. Als je een hele sterke magneet in de buurt brengt van deze deeltjes, gaan al die kleine staafmagneetjes daarop reageren en in dezelfde richting staan. Hierdoor worden al die magneetjes in dezelfde richting getrokken en kruipt de magnetische klei als het ware over de sterke magneet. Materiaal: magnetic putty, ferromagnetische plasticine. Een sterke magneet (neodymium). Knikker. Paper clip. Filmpjes: Symbaloo Of ook: shows/outrageous- acts- of- science/monster- magnet/ Nanotechnologie experimenten graad 1_2 - Eef delfosse 01/12/2015 Page 4

5 2. Magisch zand Magisch zand waterdruppel en oliedruppel Leerling - experiment Experiment: Neem een klein potje (vb platte kaas of yoghurt- potje) met een bodempje magisch zand en eentje met een bodempje gewoon zand. Voel eraan. Wat voel je? Experiment: Doe een druppel water op het magische zand. Wat gebeurt er? Doe hetzelfde met gewoon zand. Wat gebeurt er? Heb je hiervoor een verklaring? Experiment: Doe een druppel olie op het magische zand. Wat gebeurt er? Doe hetzelfde met gewoon zand. Wat gebeurt er? Waarneming: het magische zand (kinetisch zand) voelt kleverig aan. Het andere zand niet. Een druppel water blijft op het magische zand liggen, op het gewone zand niet (wordt erdoor opgeslorpt). Een druppel olie wordt door beide soorten opgeslorpt. Verklaring: Het zand voelt kleverig aan. Er is geen lijm bij het zand gedaan. Op het magische zand is een nano- laagje aangebracht van een materiaal dat werkt zoals de gekko tape- door een speciale structuur te maken gaan die deeltjes aan elkaar plakken (aantrekken). Opmerking: Het laagje dat erop aangebracht is heet PDMS (- ook gebruikt om Geckskin te maken). Het water blijft op het magische zand staan. Op het magische zand is een nano- laagje aangebracht van een materiaal dat waterafstotend is (hydrofoob- bang van water). Dit kan je vergelijken met olie: als je olie op water giet, dan gaat de olie niet mengen met het water maar de olie ligt bovenop het water, van elkaar gescheiden. Dit is omdat de oliedeeltjes hydrofoob zijn, en bij elkaar willen zitten (en naar elkaar worden toegetrokken) en niet bij het water willen zitten. Dit is niet zo bij het gewone zand. Tip: demonstreer met een beker water en olie dat deze niet mengen. Algemeen: een hydrofobe stof is een stof die niet vermengd of opgelost kan worden in water omdat het niet kan binden met watermoleculen. Verklaring: De oliedruppel wordt wel opgeslorpt- dit kan je vergelijken met een 2 de olie die je erbij doet - die blijven niet in laagjes zitten maar gaan wel mengen. Materiaal: geef per 2 leerlingen 2 potjes (gewoon zand, magisch zand) en een klein spuitje met water, en eentje met een klein beetje olie. (of ga de klas rond en doe een druppel in elk potje- vooral met de olie) Magisch zand in een bepaalde hoeveelheid water Demonstratie met hulp van één leerling Experiment: Neem 2 bekers en doe er een dikke bodem zand resp. Magisch zand in. Giet een zelfde hoeveelheid water erbij. Roer. Giet daarna voorzichtig het water weg. Gebruik eventueel een zeefje. Wat stel je vast i.v.m. het water en met het zand? Waarneming: Er blijft minder water over van het gewone zand. Het gewone zand is nat. Het magische zand niet. Verklaring: het magische zand neemt geen water op, is hydrofoob. Materiaal: 2 glazen potten. Vul elke pot met een bepaalde hoeveelheid zand/magisch zand. Een maatbeker met water. Eventueel een zeefje. Een bak om het water in te gieten nadat het met zand gemengd was. Nanotechnologie experimenten graad 1_2 - Eef delfosse 01/12/2015 Page 5

6 Magisch zand (kinetisch zand), water en olie Demonstratie met hulp van één leerling. Eventueel 2X demonstreren zodat elke leerling voldoende ziet. Moeilijkere opdracht voor leerlingen: Bedenk zelf een experiment om te testen of je hiermee olie op zee zou kunnen opruimen. Probeer het uit. Experiment: Neem een beker met water. Doe er heel voorzichtig een klein beetje zand in. Wat gebeurt er? Doe hetzelfde met magisch zand. Wat gebeurt er? Waarneming: Water: Het gewone zand zakt naar de bodem. Het magische zand blijft op oppervlak liggen. Wanneer je er meer magisch zand op doet zakt het uiteindelijk naar de bodem. Verklaring: Het magische zand blijft op oppervlak liggen (door het hydrofobe laagje en door oppervlaktespanning- er is precies een vlies op het water- de waterdeeltjes willen bij elkaar blijven). Wanneer je er meer magisch zand op doet wint de zwaartekracht het van de oppervlaktespanning en zakt het toch naar de bodem. Experiment: Neem een beker met olie. Doe er heel voorzichtig een klein beetje magisch zand in. Wat gebeurt er? Waarneming: Het zakt naar de bodem. Verklaring: er is geen hydrofoob laagje, dus waterdeeltjes willen even graag bij zanddeeltjes zitten en de zwaartekracht wint onmiddellijk.. Experiment: Neem een beker met water en olie. Doe er heel voorzichtig een klein beetje zand in. Wat gebeurt er? Waarneming: Het zand zakt door de olie, tot op het bovenste laagje van het water en blijft daar liggen. Als je meer zand toevoegt zakt het naar beneden (bodem van water) samen met een druppel olie. Als je dit blijft herhalen verdwijnt heel het olie laagje van het oppervlak en zit er een kleverige zandbrij op de bodem. Deze kan je eruit scheppen. Hiermee is alle olie uit het water gehaald. Verklaring: De olie bindt wel met het zand, en het zand niet met het water.door de zwaartekracht gaat het papje naar de bodem zakken. Materiaal: glazen pot met water. Glazen pot met olie. Glazen pot met water en olie. Gewoon zand. Magisch zand. Filmpje met een andere soort magisch zand (niet kleverig, wel hydrofoob): Symbaloo Filmpje coating: Symbaloo Nanotechnologie experimenten graad 1_2 - Eef delfosse 01/12/2015 Page 6

7 3. Nanomicroscopie Magnetisch oppervlak onderzoeken met magnetische sondes Demonstratie gevolgd door zelf uitproberen leerlingen Experiment: We gaan een magnetisch oppervlak (een soort magnetisch matje) onderzoeken met behulp van magnetische sondes. Leg het magnetische oppervlak met de magnetische kant naar boven. Neem een magnetische sonde en hou deze met de magnetische kant naar beneden. Hou deze niet stevig, maar losjes tussen je vingers. Trek de sonde traag over het magnetisch vlak (net erboven) van links naar rechts, zoals op onderstaande afbeelding. Wat voel je? Trek nu de sonde in de andere richting. Van boven naar beneden. Wat voel je nu? Waarneming: Als je de sonde in de ene richting beweegt, voel je haar springen over het oppervlak. Als je de sonde in de andere richting beweegt, springt de sonde niet. Hoe zou dit komen? Verklaring: Het magnetische beeld van het onderzochte oppervlak is als volgt: Als je de sonde loodrecht over de (onzichtbare) magnetische lijnen beweegt, voel je haar springen over het oppervlak. De sonde wordt afwisselend aangetrokken en afgestoten door de verschillende magneetpolen die ze tegenkomt. Als je de sonde evenwijdig met de magnetische lijnen beweegt, voelt het oppervlak glad aan, omdat de sonde op elk moment evenveel aantrekking of afstoting ondervindt. Dit experiment illustreert de werking van een magneetkrachtmicroscoop. Magneetkracht- microscoop: Een fijne, gemagnetiseerde tip beweegt over het te onderzoeken magnetische oppervlak. De sonde beweegt op en neer onder invloed van de magnetische velden van het oppervlak en deze velden worden geregistreerd en omgezet in een beeld van het oppervlak. Opmerking: dit beeld geeft de magnetische velden van het oppervlak weer (niet de fysieke structuur van het oppervlak zoals wij Nanotechnologie experimenten graad 1_2 - Eef delfosse 01/12/2015 Page 7

8 een oppervlak voelen). Foto s van harde schijven, gemaakt met een magneetkracht microscoop. Extra uitleg magnetisme Als je een magneet bij een paperclip houdt, trekt die magneet de paperclip aan. Of je magneet blijft plakken aan de koelkast. Maar hij plakt niet aan een plastic beker of een glazen ruit. Magneten zijn geheimzinnige voorwerpen. Ze hebben een onzichtbare kracht, waarmee ze dingen kunnen aantrekken of afstoten. Een magneet trekt sommige metalen aan en andere niet. Deze onzichtbare natuurkracht heet magnetisme. Een magneet is een voorwerp gemaakt van ijzer, staal, nikkel of kobalt dat een onzichtbaar magnetisch veld rondom zich creëert. Magnetisch veld. Elke magneet heeft een gebied om zich heen waar de magnetische kracht werkt. Dat gebied noemen we het magnetisch veld van de magneet. Als b.v. een paperclip in dit veld van de magneet ligt wordt het aangetrokken en als het buiten de grens van het veld ligt wordt het niet aangetrokken. Magnetische polen Een magneet heeft, net als de aarde, een noorden een zuidpool. De magnetische kracht is op deze polen het sterkst. Als je twee magneten hebt en je houdt twee gelijke polen naar elkaar dan stoten de magneten elkaar af. Maar als je de zuidpool van de ene magneet tegen de noordpool van een andere magneet legt dan trekken ze elkaar aan. Wat gebeurt er als je paperclip aan je magneet blijft plakken? De paperclip bestaat uit allemaal kleine ijzerhoudende deeltjes die zelf kleine magneetjes zijn, maar kris kras door elkaar liggen, en daardoor netto geen magnetische kracht hebben. Als we er een magneet tegenhouden gaan al die deeltjes zich (net zoals een vrij draaiende magneetnaald) in dezelfde richting richten en gaat dat voorwerp wel een netto magnetische kracht hebben (zelf een magneet vormen). Daardoor plakt de zuidpool van de paperclip aan de noordpool van de magneet. Als we de magneet wegnemen, gaan alle deeltjes weer kris kras staan en is de paperclip geen magneet meer. Sommige voorwerpen houden die magnetisatie nog wel een tijdje (je kan een nagel tijdelijk magnetisch maken en zijn magnetische kracht even laten houden). Leg dit uit aan de hand van 2 staafmagneten, paperclips, eventueel ook ijzervijlsel Nanotechnologie experimenten graad 1_2 - Eef delfosse 01/12/2015 Page 8

9 Bronnen NFOCENTRE_PL_HDD_MAGNETIC_MEMORY_EVOLUTION.png shows/outrageous- acts- of- science/monster- magnet/ ferrovloeistof- en- hoe- maak- je- het- zelf/ activities fair- projects/search.shtml?v=&s=ferrofluid Nanotechnologie experimenten graad 1_2 - Eef delfosse 01/12/2015 Page 9