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El concepto de “hierro fluido” parece una completa paradoja. Y es que estamos tan acostumbrados al hecho de que las sustancias férricas sean extremadamente sólidas, que ver sustancias formadas por metales que puedan comportarse casi como la plastilina nos impacta mucho.
Y en este sentido, los ferrofluidos son compuestos que, por sus características, han inundado redes sociales como Youtube, pues pueden adquirir formas hipnóticas que parecen sacadas de una criatura extraterrestre.
Inventados en 1963 por Stephen Papell, un ingeniero escocés, con el objetivo de producir un líquido de propulsión para los cohetes que pudiera resistir las condiciones de ausencia de gravedad, los ferrofluidos con compuestos férricos que, ante la presencia de un imán, desarrollan formas muy variadas, como por ejemplo espinas.
Pero, ¿qué son los ferrofluidos? ¿Por qué se activan ante la presencia de un imán? ¿Son líquidos o son sólidos? ¿Tienen alguna aplicación práctica? En el artículo de hoy responderemos a estas y muchas otras preguntas sobre los asombrosos ferrofluidos.
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¿Qué son los ferrofluidos?
Los ferrofluidos son sustancias sintéticas compuestas por nanopartículas paramagnéticas que están cubiertas por una capa de material surfactante y disueltas en una disolución en base de agua. Muchos nombres extraños, sí, pero vamos a ir entendiéndolos uno por uno.
En primer lugar, que sea una sustancia sintética implica que está creada por la mano humana. Los ferrofluidos no existen en la naturaleza, sino que tuvimos que diseñarlos y fabricarlos. Como ya hemos dicho, se sintetizaron por primera vez en 1963, pero posteriormente (y gracias a su mejoría), empezaron a comercializarse.
En segundo lugar, entendamos qué significa esto de que estén compuestos por nanopartículas. Se trata de partículas con un tamaño de entre 1 y 100 nanómetros (suelen ser, de media, de 10 nm), que es la mil millonésima parte de un metro. Por lo tanto, en un ferrofluido tenemos partículas sólidas de distintos elementos metálicos (generalmente magnetita o hematita), pero estas han sido convertidas en objetos microscópicos. Si no fueran de tamaño nanométrico, el ferrofluido no podría existir.
En tercer lugar, entendamos esto de paramagnético. Como podemos intuir por este nombre, los ferrofluidos están muy vinculados al magnetismo. En este sentido, las nanopartículas metálicas que comentábamos, ante la influencia de un campo magnético (es decir, un imán), muestran lo que se conoce como ordenamiento magnético, por lo que estas partículas se alinean en una misma dirección y sentido, de ahí que se formen las típicas “espinas”.
En determinados sitios puede oírse hablar de los ferrofluidos como sustancias ferromagnéticas. Pero esto, pese a que sea lo más evidente, no es totalmente cierto. Para que fueran compuestos ferromagnéticos, deberían mantener esta magnetización cuando ya no hubiera influencia del imán. Pero la gracia de los ferrofluidos es, precisamente, que cuando apartamos el imán, recuperan su forma desordenada inicial.
En este sentido, los ferrofluidos son técnicamente sustancias paramagnéticas, pues a pesar de que son muy susceptibles a pequeñas fuerzas magnéticas (de ahí que se hable de sustancias superparamagnéticas), en cuanto este desaparece, las nanopartículas dejan de estar ordenadas y vuelven a su estado de organización irregular. El paramagnetismo implica también que a mayor temperatura, menor sea la fuerza magnética.
En cuarto lugar, hemos hablado de que las nanopartículas están cubiertas por una superficie surfactante, pero, ¿qué significa esto? Sin entrar demasiado en profundidad ya que el tema es complejo, un surfactante es toda aquella sustancia (generalmente ácido oleico, lecitina de soja o ácido cítrico) que se añade al ferrofluido para impedir que las nanopartículas se agreguen demasiado entre ellas cuando incide el campo magnético.
Es decir, el surfactante es aquel compuesto que evita que las nanopartículas formen una estructura regular y uniforme pero sin dejar que se junten demasiado, pues perderían el aspecto de un fluido. Las aleja las unas de las otras lo justo para que estén ligadas pero no juntas (no se aglomeran por muy intenso que sea el campo magnético que incide sobre ellas), cosa que consigue generando tensión superficial entre ellas.
Y ya en quinto y último lugar, hemos dicho que todos los anteriores compuestos están disueltos en una solución acuosa. Y así es. La parte “fluido” del concepto “ferrofluido” es gracias al agua. Y es que además de ser el medio donde se diluyen tanto las nanopartículas metálicas como el surfactante, el agua contribuye enormemente a su naturaleza.
Y es que las fuerzas de van der Waals presentes en el agua evitan que las nanopartículas metálicas atraviesen la sustancia y salgan disparadas hacia el imán. Es decir, en la frontera entre agua y aire, se desarrollan unas fuerzas (de van der Waals) que impiden que las nanopartículas atraviesen la disolución.
En resumen, los ferrofluidos son nanopartículas suspendidas en un fluido en base a agua y compuestos surfactantes, en el que distintas fuerzas están en equilibrio: paramagnetismo (ordena las nanopartículas bajo influencia de un imán pero se recupera el estado irregular inicial cuando desaparece el campo magnético), gravedad (lo tira todo hacia abajo), las propiedades surfactantes (evita que las nanopartículas se aglomeren) y las de van der Waals (las nanopartículas no pueden romper la superficie del agua).
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¿Qué usos tienen los ferrofluidos?
Al ver los ferrofluidos, puede parecer que más allá del “jugar” con ellos y ver cómo adquieren formas hipnóticas e increíblemente variadas no tienen demasiadas aplicaciones. Pero nada más lejos de la realidad. Desde su invención, los ferrofluidos han tenido muchos usos. Y, del mismo modo, se está investigando para encontrar de nuevos. A continuación mostramos las principales aplicaciones que, tras consultar distintas fuentes expertas, hemos podido rescatar.
1. En medicina
Actualmente, los ferrofluidos tienen una elevada importancia en el campo de la Medicina. Y es que se han diseñado ferrofluidos biocompatibles, es decir, que pueden ser introducidos en el cuerpo y ser asimilados sin provocar complicaciones en el organismo.
En este sentido, los ferrofluidos de carácter médico se utilizan como compuesto presente en los agentes de contraste, unas sustancias que se beben (o se inyectan) antes de realizar una técnica de diagnóstico por imagen para obtener fotografías con mayor calidad.
Estos ferrofluidos, pues, son interesantes agentes de contraste en las resonancias magnéticas, las cuales basan su funcionamiento en las propiedades del magnetismo y es pieza fundamental en la detección de muchas enfermedades (incluido el cáncer). El modo de reaccionar de los ferrofluidos ante el campo magnético (y la velocidad a la que regresa a su estado inicial) ayuda a mejorar la calidad de la imagen obtenida.
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2. En música
Desde su invención, los ferrofluidos se han utilizado para fabricar altavoces. Y es que gracias a sus propiedades, ayudan a disipar el calor dentro de la bobina. Esta bobina produce mucho calor y lo que nos interesa es conducir esta temperatura caliente hasta el elemento de disipación térmica que tenga el altavoz.
Y aquí es donde entra en juego el ferrofluido. Y es que como hemos dicho, estas sustancias, al ser paramagnéticas, tienen un magnetismo menor a medida que aumentas la temperatura. De este modo, si colocas el ferrofluido entre un imán y la bobina, conseguirás conducir el calor.
Pero, ¿cómo? En cuanto la bobina empiece a funcionar, la porción del ferrofluido que esté en contacto con ella estará más caliente, mientras que la del imán estará más fría. Por lo tanto, en cuanto el campo magnético se active, el imán atraerá con más fuerza el ferrofluido frío que el caliente (a menor temperatura, más fuerza magnética), estimulando así que el fluido caliente vaya hasta el elemento de disipación térmica. Cuando se activa (no hace falta cuando el altavoz está apagado), se adquiere una forma de cono que es ideal para disipar el calor de la bobina.
3. En ingeniería mecánica
A la hora de diseñar equipos industriales, los ferrofluidos son de gran interés. Y es que por sus propiedades, son muy útiles para reducir la fricción que sucede entre los componentes de estos equipos. Permiten, en cuanto se incide un imán de gran potencia, que las estructuras mecánicas se deslicen sobre ellos prácticamente sin rozamiento (el ferrofluido casi no ejerce resistencia) pero manteniendo su funcionalidad intacta.
4. En ingeniería aeroespacial
Teóricamente inventados para ello, los ferrofluidos son de gran interés en la ingeniería aeroespacial. Y es que por sus propiedades magnéticas y mecánicas, los ferrofluidos podrían servir para modificar la rotación de los vehículos espaciales en condiciones de ausencia de gravedad. Del mismo modo, se está investigando su uso como propulsor en satélites pequeños, pues los chorros de nanopartículas magnéticas podrían ayudar a mantener la propulsión después de abandonar la órbita terrestre.
5. En industria papelera
Se está experimentando el uso de ferrofluidos en las tintas. Y es que podrían ofrecer una eficacia de impresión enorme. De hecho, una empresa japonesa ya ha inventado una impresora que usa tinta ferrofluida.
6. En medición
Los ferrofluidos tienen potentes propiedades refractivas. Es decir, la luz cambia de dirección y de velocidad al pasar a través de ellos. Esto hace que tengan un gran interés en el campo de la óptica, especialmente en lo que a analizar la viscosidad de soluciones se refiere.
7. En industria automovilística
Algunos sistemas de suspensión ya están utilizando ferrofluidos como fluido de amortiguación en lugar de aceite convencional. De este modo, permiten variar las condiciones de amortiguación en función de las preferencias del conductor o de la cantidad de peso que carga el vehículo.
