Nanoviskosität untersuchen mit dem AC-Suszeptometer DynoMag
Abb. 1: Realteil und Imaginärteil einer AC-Suszeptibitätsmessung [1].
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=(3VH η)/(kT) [3]
VH: hydrodynamisches Partikelvolumen, k: Boltzmann-Konstante, T: Temperatur
Abb. 2: Viskosität von Wasser-Glycerin gemessen mit dem DynoMag sowie aus einer klassischen Viskositätsmessung im Vergleich mit Literaturwerte
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
Abb. 3: Viskosität η und Schubmodul G von Wasser-Xanthan gemessen mit dem DynoMag sowie aus einer klassischen Viskositätsmessung
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
