Deconstructing David

Voici en vrac les dernières avancées dans la recherche des ferrofluides.

Mardi: Nicolas et moi ayant expédié la réaction de Grignard d’une main de maître, nous avons pu prendre quelques minutes pour préparer un ferrofluide en respectant le modop.

7,40g FeCl₃.6H₂O + 3,88g FeSO₄.7H₂O dans 400ml d’eau à 70°, puis ajout de 100ml de NaOH 5 molaire. L’ajout de NaOH a été un peu brusque, mais nous avons obtenu le précipité noir attendu.

Après précipitation, nous avons drainé le plus d’eau possible. J’ai conservé une fraction totalement aqueuse dans une bouteille en plastique tandis que Nicolas tentait des mélanges graisseux. Au final, ni l’un ni l’autre n’avons obtenu de résultat fabuleux, ça bouge un peu c’est à peine mieux que l’encre de Lexmark….rien de bien impressionnant.

Mercredi: la portion de ferrofluide que j’ai ramenée du labo a précipité pendant la nuit. J’en profite pour retirer quelques mm d’eau de la bouteille en plastique qui me sert de récipient. J’agite régulièrement cette bouteille pour limiter l’agrégation.

Jeudi: je constate que le ferrofluide chimique artisanal traité au NaOH est entièrement solidifié ->poubelle. Son homologue à l’ammoniaque semble toujours liquide. Une phase translucide surnage , je l’élimine et teste le liquide noir à l’aimant: toujours le même résultat, petite réaction, rien de stupéfiant. Je constate également que la poudre d’imprimante s’est déposée au fond de mon pot d’huile de colza. Même après agitation vigoureuse du pot, je n’arrive pas à remélanger cet espèce de sédiment collant…

Vendredi: bonnes nouvelles! D’une part j’ai retrouvé un jouet magnétique que j’ai démonté pour extraire 14 billes nickelées de 15mm ainsi que 42 aimants neodyme en disque de 4mm de haut sur 5mm de diamètre. De plus, j’ai validé la commande chez Supermagnete!

En surfant sur Instructables, je suis tombé sur un internaute exposant la fabrication d’ice bulbs (jeu de mots sur light bulb, ampoule en anglais).
Il s’agit d’un montage très simple: une diode est immergée dans de l’eau puis le tout est congelé.
Quand on allume la diode, on obtient ainsi une boule de glace lumineuse…

L’ensemble des éléments avant l’immersion:

Le résultat après quelques heures de congélation:

Même s’il est relativement isolant et ralentit donc la congélation, l’emballage de Pringles semble être un bon choix: il est rigide, facilement manipulable et surtout permet un démoulage très aisé grâce à son coating interne anti-adhérent.

Et enfin, le test lumineux:

Les diodes utilisées mesurent 5mm. La rouge est une diode classique tandis que la blanche est un modèle à haute intensité.

Voici une vidéo: clic croit, enregistrer sous.
La dernière séquence est intéressante car j’y applique une tension plus plus importante (de l’ordre de 3,8v) si bien que les diodes chauffent. La forte lumière blanche éclipse totalement la rouge, l’échauffement local provoque une grosse fissure dans le bloc et enfin, un court circuit se produit à l’intérieur du glaçon si bien que tout s’éteint sans que j’aie touché à mon alim.

Voilà deux jours que j’ai réalisé les premiers ferrofluides chimiques. Depuis leur fabrication, ils reposent à l’air libre et à température ambiante.
Je constate à l’instant que le pot qui a reçu le NaOH ne contient plus un liquide mais un solide! La chose a donc durci alors que du coté du NH₄OH rien ne semble avoir bougé.

Je tripote donc cette substance avec une tige de verre: le durcissement semble particulièrement fort à la surface, tandis qu’il y a encore un peu de liquide au fond du pot. Celui-ci suinte quand je fais des trous dans la croûte solide. Même après quelques minutes d’agitation frénétique, je ne parviens qu’à obtenir une sorte de boue collante.

La seule explication logique qui me vient à l’esprit est que suite à l’évaporation de l’eau, le NaOH a précipité et a entraîné ainsi le durcissement du milieu. Ce durcissement est localisé au dessus du mélange car le fluide étant visqueux, la perte d’eau par évaporation n’est sensible que sur les quelques centimètres sous la surface.

Avant d’aborder le sujet de cet article, une petite digression pour analyser l’évolution du ferrofluide précédent (celui à base d’encre):
Comme le montre cette photo, après quelques jours de repos, la poudre s’est déposée au font du récipient et l’huile surnage. Le précipité noir est pâteux comme du miel. J’ai purgé un centimètre d’huile et j’ai mélangé énergiquement. Apparemment, il n’y a pas eu de formation de grumeaux ni d’agrégats néfastes à la fluidité de l’ensemble. En effet, j’obtiens sensiblement les mêmes résultats que lors des essais précédents.

Passons à notre nouvel essai: a réalisation de ferrofluides à base de chlorure de fer et de sulfate de fer. Le préparateur de l’université nous a aimablement donné quelques grammes des précieux réactifs (FeCl₃ et FeSO₄) afin que nous puissions tester la manipulation avant d’acheter de plus grandes quantités de produits.

Naturellement, le principal ennui de “la chimie à la maison” c’est le manque de matériel. À commencer par l’outil de base de tout laboratoire: une balance efficace. Toute la méthode qui suit ferait rigoler un gamin de 1ère secondaire et me couvrirait de honte devant n’importe quel chimiste sérieux, mais j’avais vraiment envie d’essayer et ai tenté de me débrouiller avec les moyens du bord.

Un second problème est que les sels en question ne sont pas anhydres. Ainsi, sur les bouteilles du labo, le FeCl₃ est désigné par FeCl₃. 6 H₂0. Par contre le FeSO₄ n’est pas considéré sur l’étiquette comme hydraté, cependant on lit sur Wikipédia:

Also known as ferrous sulfate (or ferrous sulphate), iron(II) sulfate is most commonly encountered as the heptahydrate, blue-green color.

Or mes cristaux sont précisément de blue-green color! j’ai donc considéré que le FeSO₄ était en fait du FeSO₄. 7 H₂0. J’ignore si cette hypothèse est correcte. Edit: OK cette hypothèse est correcte, j’ai vérifié sur l’étiquette du pot au labo.

On a donc:
FeCl₃: 162g/mole
FeCl₃. 6 H₂0: 270g/mole
FeSO₄: 152g/mole
FeSO₄: 7 H₂0: 278g/mole

Il s’agit maintenant de peser convenablement sans balance hum… Pour cela, j’ai utilisé des petits sachets de sucre contenant 5g chacun. Connaissant le rapport de la masse molaire du sucre et celle de mes produits (sucre/sels de fer = 2/3), il ne me reste plus qu’à remplir convenablement…[On ne se moque pas! Les dons pour m'acheter une balance sont les bienvenus!]
Le sachet de sucre, le FeSO₄ (vert) et le FeCl₃ (orange):

J’ai donc dissout successivement les deux réactifs dans 400ml l’eau distillée, puis ai ajouté la base goutte à goutte.
Ah la base! Mon troisième problème! En effet, je dispose d’hydroxyde d’ammonium et d’hydroxyde de sodium achetés dans une quincaillerie. Leur étiquette n’indique donc pas une concentration en moles/litres mais en %. Mais en % de quoi? En masse? En volume? En moles?

Bref j’ai ajouté “jusqu’à ce que ça n’ait plus l’air de réagir”… Soit 12 cuillers à café de NaOH d’un côté et 12 cuillers de NH₄OH de l’autre (je n’ai pas de quoi mesurer les petits volumes non plus). D’un côté comme de l’autre, dès qu’une goutte de base touche la solution, des taches noires apparaissent immédiatement: les oxydes de fer précipitent donc instantanément. J’ajoute la base sur 5 minutes environ, en remuant la solution à l’aide d’une cuiller en inox.

Après l’ajout, je laisse décanter une heure puis je purge d’eau excédentaire. Il reste à ajouter le surfactant: les modops conseillent l’hydroxyde de tétraméthylammonium ((CH₃)₄OH). Naturellement, je n’en n’ai pas et j’utilise donc de l’acide oléique par l’intermédiaire d’huile d’arachide.
Extrait Wikipédia:

La composition en acides gras de l’huile d’arachide utilisée pour l’alimentation humaine est la suivante (en pourcentage massique par ordre décroissant, variation suivant provenance)1 :

* Acide oléique (C18:1 ω-9 monoinsaturé) : 35 – 72 %
* Acide linoléique (C18:2 ω-6 polyinsaturé) : 13 – 43 %
* Acide palmitique (C16:0 saturé) : 7 – 16 %
* Acide stéarique (C18:0 saturé) : 1.3 – 6.5 %
* Acide béhénique (C22:0 saturé) : 1.0 – 5.0 %
* Acide arachidique (C20:0 saturé) : 0.5 – 3 %
* Acide lignocérique (C24:0 saturé) : 0.5 – 3 %
* Acide gadoléique (C20:1 ω-9 monoinsaturé) : 0.5 – 2.1 %
* Acide α-linolénique (ALA) (C18:3 ω-3 polyinsaturé) : < 0.6 %
* acide érucique (C22:1 monoinsaturé) : < 0.5 %

Le principal ennui est que l’huile ne se mélange pas avec la solution aqueuse qui contient le ferrofluide et c’est après une agitation énergique que j’arrive à obtenir un fluide homogène.

Vient le moment fatidique du test à l’aimant. C’est là que – oh cuisante défaite – j’observe un résultat encore plus ridicule qu’avec l’encre d’imprimante! Mais bon, soyons réalistes, vu la précision de la manipulation, un succès aurait relevé du miracle… L’étape de la précipitation des oxydes est notamment cruciale: si la solution n’a pas la bonne concentration en Fe (II) et en Fe (III), on précipite du FeO et du Fe₂O₃ mais pas de Fe₃O₄!

I got two used printer toners today: a yellow HP C9722A and a black Lexmark 08A0478.

I opened them to collect the remaining powdered ink and I got about 25cl of unpacked powder in each toner; which is a large quantity considering these toners were in the trash.

The yellow ink is unfortunately not magnetic at all. However, the Lexmark black powder moved towards my magnet as I approached it!

Therefore, I mixed 5 teacups of powder and 55ml of food grade colza oil to make the powder more fluid and to act as a surfactant. I poured 2mm of the mix in a small plastic dish and put 2 different magnets under the dish.

The first one is an ordinary cylindrical iron oxide magned, the second one is a C shaped harddrive neodynium magnet. Both magnet gave the same results (see pics) whereas the Nd magnet is much stronger than the iron oxide one. Therefore, some limitations must be caused by the fluid itself.

Update: after a couple of days, the powder settled down at the bottom of the container. Fortunately, the particles didn’t stick together, the surfactant did a decent job althought no true colloid was formed. After vigorously mixing the container, I got an homogeneous fluid with the same magnetic behaviour as the the freshly prepared one.

I’m doing some research on an interesting topic that might lead me to some funny experiments: ferrofluids! These are liquids behaving “magnetically”. They’re actually made up of Fe₃O₄ nano-particles dispersed in a liquid forming a colloidal system. Surfactants are of course required to prevent the particles from settling and clumping.
Although this sounds pretty easy, these liquids are in fact quite expensive.
Fortunately, it seems that there’re some affordable ways to get similar products:

1- Lazy way
It appears that some laser printers use powdered inks containing some amount of magnetic particles. Some sources indicate that simply mixing this powder with cooking oil creates a decent low quality ferrofluid. I have some ink powders here, but they’re all magnet-insensitive.
My friend Antoine, whose dad works at Xerox, told me some machines use a powdered ink and a powdered metal coming in separate containers…
Update: see a test with printer ink here

2- Chemical way
This website provides instructions for ferrofluids synthesis. The magnetic particles are obtained by reacting FeCl₃, FeCl₂ and NH₄OH.
Tetramethylammonium hydroxide (CH₃)₄NOH is used as surfactant.
This technique is supposed to produce very small magnetite particles, approximately 10nm in diameter, however, the surfactant isn’t very common outside chemistry labs.

3- Mechanical way
Fe₃O₄ roughly ground is easily available at my usual chemicals wholeseller. So I’m thinking about grinding it using my ball mill. However, I still don’t know whether the lead balls I’m using are hard enough. Although it’s hard to go below 1µm by mechanical grinding, I still expect the grinding method to be better than the ink method.

According to Wikipedia, the most common surfactants in the ferrofluid business are:

-oleic acid ;
-citric acid ;
-soybean lecithin ;
-tetramethylammonium hydroxide.

To be continued.