Magnetische Nanopartikel können geeig­net sein, um die Viskosität einer Flüssigkeit zu ermitteln. Dieser Zu­sam­menhang, der sich einem erst auf den zweiten Blick erschließt, wurde kürz­lich in einer Veröffentlichung von Professor Christer Johansson (RISE Acreo, Göteburg) und seinem Team dargelegt [2].
Das Prinzip dahinter ist eigentlich ganz einfach. Magnetische Nano­par­tikel (MNP), suspendiert in einer Flüssigkeit, können in einem magnetischen Wechselfeld entweder eine Neel-Relaxation oder eine Brown-Relaxation erfahren. Beim Brown‘schen Verhalten werden die Partikel bildlich gesprochen mit der AC-Trägerwelle bewegt. Auf die Dynamik der Bewegung hat die Viskosität η des umgebenden Me­diums einen Einfluss, was direkt in die Brown‘sche Relaxationszeit τB eingeht:
τB=(3V_H η)/(kT)       [3]
V_H: hydrodynamisches Partikelvolumen, k: Boltzmann-Konstante, T: Temperatur
 

Misst man Frequenzen statt Zeiten, ist man bei der AC-Suszeptibilität, die das AC-Suszeptometer DynoMag über einen sehr weiten Frequenzbereich an verschiedene Proben messen kann. Die Abb. 1 zeigt beispielhaft die Suszeptibilität für eine Probe mit einer Relaxationsfrequenz von 1 kHz. Im Diagramm beispielhaft aufgetragen sind Real- und der Imaginärteil.
Doch zurück zur Viskosität. Nimmt nun die Viskosität des umgebenden Mediums zu, so erhöht sich die Relaxationszeit, beziehungsweise die Relaxationsfrequenz wird kleiner. Damit liegt ein direkter Zusam­menhang zur Viskosität bzw. Viskosi­täts­änderung vor, wenn die anderen Parameter identisch bleiben (Tem­pe­ra­tur, Partikeleigenschaften wie Grö­ßenverteilung etc.).
In der Veröffentlichung [2] wurde eine Mischung aus Wasser und Glycerin untersucht, sowie Wasser mit verschieden Mengen Xanthan. Ersteres ist ein sogenanntes Newtonsches Fluid, letzteres entspricht im Verhalten einem Nicht-Newtonschen Fluid. Xanthan ist ein natürlich vorkommendes Polysacharid und wird als Verdickungsmittel für Lebensmittel verwendet. Da die Mischung Wasser-Xanthan ein nicht nicht-lineares Fließverhalten zeigt, wird es als Nicht-Newtonsches Fluid bezeichnet. Andere bekannte Nicht-Newtonsche Fluide sind z.B. Blut, Ketchup oder Treib­sand

Die Abb. 2 zeigt die Viskosität von Wasser-Glycerin in verschiedenen Zu­sam­mensetzungen. Aufgetragen sind Messungen über die AC-Suszep­tibi­lität mit dem DynoMag, sowie mit einem klassischen „Rheo­meter“ und Literaturwerte. Ergebnisse für das Sys­tem Wasser mit Xanthan (1%) sind in der Abb. 3 gezeigt, auch hier wieder der Vergleich zwischen DynoMag und klassischer Messung.
Bei beiden Systemen wurde eine gute Übereinstimmung der „Nano-Vis­ko­sität“ mit der klassisch bestimmten Viskosität gefunden.
Anzumerken ist noch, dass für die Messungen im DynoMag eine Pro­benmenge von 200 µL genügt und daher  interessant ist für Proben, die nur in kleinen Mengen vorliegen.

[1]    Entnommen aus dem DynoMag-Handbuch, 2017. Erhältlich auf Anfrage.

[2]    T. Sriviriyakul et al. „Nano­rheo­logical studies of xanthan/water solutions using magnetic nanoparticles”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 473 (2019) 268–271
https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.09.103

[3]     S. Bogren et al. “Classification of Magnetic Nanoparticle Systems — Synthesis, Standardization and Analysis Methods in the NanoMag Project”, International Journal of Molecular Sciences 16 (2015) 20308–20325
https://doi.org/10.3390/ijms160920308

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