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Wederson de Souza Ferreira
ESTUDO DA ESTABILIDADE FÍSICA DE FLUIDO MAGNÉTICO À BASE DE
ÓLEO DE COPAÍBA COM MEDIDAS ÓPTO-MAGNÉTICAS
Orientador: Prof.Dr. Judes Gonçalves dos Santos
Ji-Paraná, julho de 2010
FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE RONDÔNIA-UNIR
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
Campus de Ji-Paraná
Wederson de Souza Ferreira
ESTUDO DA ESTABILIDADE FÍSICA DE FLUIDO MAGNÉTICO À BASE DE
ÓLEO DE COPAÍBA COM MEDIDAS ÓPTO-MAGNÉTICAS
Monografia submetida ao
Departamento de Física da
Universidade Federal de Rondônia -
como parte dos requisitos para
obtenção do Grau de Licenciatura
Plena em Física.
Ji-Paraná, julho de 2010.
DEDICATÓRIA
Dedico em primeiro lugar ao meu grande Deus,
porque sem ele isso não seria possível.
E a toda minha família por todo o apoio, seja ele
com orações, conselhos ou financeiramente, para
que tornasse possível a realização do meu sonho.
AGRADECIMENTO
A caminhada foi longa, foram muitos colegas que se tornaram grandes amigos
no decorrer dos anos do curso, e que juntos compartilhamos de grandes momentos.
Momentos esses que nunca hei de esquecer, mais ficará guardado na minha mente como
lição e aprendizado e no meu coração ficará muita saudades e boas lembranças.
Quero aqui dizer muito obrigado ao Prof. Dr. Judes Gonçalves dos Santos pela
orientação e apoio. Agradeço também pela sua grande paciência nos momentos mais
difíceis quando nada queria dar certo, no qual às vezes eu me sentia desanimado.
Aos meus amigos Gilciano Soares de Oliveira, Marluce Pereira Oliveira,
Fernanda Antunes Fabian, Ernani Marco Rodrigues dos Reis, Juliana Bessa de Almeida,
Gisele Pedra da Silva, Gilma Carine da Silva Santos, pelo companheirismo nesse curso,
pelas opiniões, brincadeiras, pelos momentos juntos que levarei eternamente em minhas
lembranças.
Ao laboratório científico do Departamento de Física da UNIR de Porto Velho e
ao CNPq pelo tempo que eu fui bolsista.
A todos aqueles que me direta ou indiretamente contribuíram para a execução
desse trabalho.
Oh SENHOR! Quão grande é a sua
bondade, que guardaste para com
os que o temem e que mostraste a
aqueles que em ti confiam na
presença dos filhos dos homens!
SL 31; 19
Resumo
Neste trabalho foi desenvolvido o estudo da estabilidade física de fluidos
magnéticos à base de óleo de copaíba. Algumas técnicas espectroscópicas, como a
Birrefringência Magnética e também algumas medidas de susceptibilidade Magnética,
magnetização e permeabilidade magnética foram empregadas neste estudo. A
estabilidade do fluido magnético pode ser observada através de medidas opto -
magnética. A finalidade é entender a interação da cobertura biocompatível com a
superfície da nanopartícula magnética de maguemita (α-Fe2O3) e magnetita.
Palavras - chave: Nanopartícula. Fluido Magnético. Copaíba. Estabilidade.
Abstract
This work was developed to study the physical stability of magnetic fluids based
on oil Copaiba. Some spectroscopic techniques such as Magnetic Birefringence and also
some measurements of magnetic susceptibility, magnetization and magnetic
permeability were used in this study. The stability of the magnetic fluid can be observed
through opto-magnetic measurements. The purpose is to understand the interaction of
coverage and the surface of biocompatible magnetic nanoparticles of maghemite (α-
Fe2O3) and magnetite.
Word-key: Nanoparticles. Magnetic fluid. Copaiba. Stability
LISTA DE FIGURAS
Figura 11Figura
Figura 11Figura
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Representa em (a) um fluido iônico (presente a repulsão
eletrostática) e em (b) um fluido surfactado (presente a
barreira tensoativa, feita pelas moléculas do
surfactante)................................................................................
À esquerda temos a árvore de Copaíba e a direita podemos
ver as suas sementes (www.clubedasemente.org.br)................
Extração do óleo de copaíba (www.funai.gov.br)....................
Diagrama esquemático do sistema desenvolvido para medir a
susceptibilidade magnética de diferentes amostras...................
Imagem de um fragmento de maguemita
(webmail.com/data/Maghemite.shtml).....................................
Representa em (a) e em (b) a estrutura da maguemita que é
do tipo espinélio inverso, e possui fórmula geral do tipo XY2
O3, onde o íon X tetraédrico tem carga +3 e o íon Y
octaédrico carga +2 e +3, respectivamente...............................
Estrutura molecular ácido copálico, hardwickico e kaur-16-
en-19-carbônico respectivamente (VEIGA JR. & PINTO,
2002).........................................................................................
Fluído magnético de óleo de copaíba e Maguemita..................
Espectro de Birrefringência magnética estática para todas as
concentrações de maguemita sem ajuste linear, fluido
magnético a temperatura ambiente...........................................
Espectro de Birrefringência magnética estática para todas as
concentrações de maguemita com ajuste linear, fluido
magnético a temperatura ambiente...........................................
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Gráfico da susceptibilidade magnética versus campo
magnético a temperatura ambiente...........................................
Gráfico da susceptibilidade magnética versus concentração a
temperatura ambiente................................................................
Gráfico da magnetização versus campo magnético a
temperatura ambiente................................................................
Gráfico da magnetização versus concentração a temperatura
ambiente....................................................................................
Gráfico da permeabilidade magnética versus campo
magnético a temperatura ambiente...........................................
Gráfico da permeabilidade magnética versus concentração a
temperatura ambiente................................................................
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1Figura
Tabela 1Figura
Tabela 2Figura
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Tabela 3Figura
Figura 1Figura
Figura 1Figura
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Figura 1Figura
Figura 1Figura
Figura 1Figura
Concentrações de óleo de copaíba e nanopartícula de
maguemita para as medidas de Birrefringência Magnética......
Concentrações de óleo de copaíba e nanopartícula de
maguemita para as medidas de susceptibilidade magnética,
magnetização e permeabilidade magnética...............................
Coeficientes dos ajustes lineares para cada concentração de
maguemita do gráfico da figura (10)........................................
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LISTA DE SÍMBOLOS E PARÂMETROS
∕∕ Índice de refração na direção paralela ao campo aplicado.⊥ Índice de refração na direção perpendicular ao campo aplicado.∆ Birrefringência magnética.
D Diâmetro da nanopartícula.
H Campo magnético aplicado.
Tempo característico no qual o processo de Birrefringência varia.
K Anisotropia magnética.
V Volume.
k Constante de Boltzmann
T Temperatura.
Tempo de relaxação Browniano da nanopartícula.
Volume hidrodinâmico da nanopartícula.
Viscosidade do líquido carreador.
Tempo de relaxação de Neél.
Constante com valor típico de 10-9segundos.
Tempo de relaxação efetivo.µ Permeabilidade no vácuo.⃗ Momento magnético do imã.⃗ Distância entre o imã e a amostra.
Força magnética entre os dois dipolos magnéticos.
Susceptibilidade magnética.
Susceptibilidade magnética do ar igual a 0, 364X10-6, no SI.
Massa produzida pela declinação da balança.
g Aceleração da gravidade igual a 9,8 m/s2.
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1uação
Equação 2uação
Equação 3uação
Equação 4uação
Equação 5uação
Equação 1uação
Equação 6uação
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Equação 1uação
Equação 1uação
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Birrefringência Magnética variando com o tempo...................
Tempo de relaxação Browniano...............................................
Tempo de relaxação de Néel.....................................................
Tempo de relaxação efetivo......................................................
Campo magnético ⃗ num ponto P qualquer gerado por um
dipolo na origem do sistema de coordenadas...........................
Campo magnético ⃗ com o dipolo orientado na direção z.......
Força magnética entre dois dipolos magnéticos..................
Susceptibilidade magnética.......................................................
Expressão final da susceptibilidade magnética que relaciona
os dados obtidos no experimento com a balança analítica.......
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ÍNDICE
Página
1 INTRODUÇÃO.............................................................................................16
1.1-Fluido Magnético...............................................................................17
1.2-Interações Físicas no Fluido Magnético............................................18
1.3-Óleo de Copaíba................................................................................19
1.4-Técnicas de Caracterização................................................................21
2 MATERIAIS E MÉTODOS......................................................................... 25
2.1-Materiais........................................................................................... 25
2.2-Nanopartícula Magnética.................................................................. 25
2.3-Componentes Moleculares do Óleo de Copaíba................................26
2.4-Procedimentos Experimentais...........................................................26
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO...................................................................30
3.1-Birrefringência Magnética Estática...................................................30
3.2-Susceptibilidade Magnética...............................................................32
3.3-Magnetização.....................................................................................34
3.4-Permeabilidade Magnética.................................................................35
4 CONCLUSÕES.............................................................................................37
5 PERSPECTIVAS...........................................................................................37
6 REFERÊNCIAS.............................................................................................38
16
1- INTRODUÇÃO
Ferrofluidos ou fluidos magnéticos são sistemas coloidais, ou seja, são sistemas
físico-químicos que contém duas fases (Figura 1), na qual uma é a do disperso
constituído de nanopartículas magnéticas recobertas por uma camada molecular
estabilizante e a outra é a do dispersante que é um solvente orgânico ou inorgânico. As
nanopartículas são tipicamente esféricas e com diâmetro entre 4 e 12 nm. A camada
molecular estabilizante adsorvida na superfície da nanopartícula com espessura entre 1 e
4 nm, também tanto pode ser de natureza orgânica ou inorgânica.
As nanopartículas magnéticas mais utilizadas na preparação de fluidos
magnéticos são de estruturas do tipo espinélio [SANTOS, 2004]. Designação comum
aos minerais do grupo dos espinélio, monométricos, constituídos essencialmente de
aluminatos de magnésio, podendo o magnésio ser substituído, em proporções variáveis,
por ferro, manganês ou zinco, e o alumínio, parcialmente, por ferro ou cromo.
Segundo [SANTOS, 2004], os fluidos magnéticos são ultra-estáveis mesmo
quando submetidos a campos magnéticos externos, a variações de temperaturas e a
alterações na força iônica do meio, dentre outros fatores.
A característica mais importante de um ferrofluido é a sua estabilidade, ou seja,
a propriedade das nanopartículas magnéticas de permanecerem em suspensão na forma
de entidades isoladas, evitando a aglomeração das nanopartículas e subseqüente
precipitação [MORAIS, 2001].
Figura 1: Representa em (a) um fluido iônico (presente a repulsão eletrostática) e em (b) umfluido surfactado (presente a barreira tensoativa, feita pelas moléculas do surfactante).
a) b)
17
As nanopartículas preparadas com reações químicas seja ela iônica ou surfactada
são dispersas em um meio iônico ou surfactado, ou seja, são dispersas em um meio que
oferece cargas positivas e negativas ou compostos por moléculas hidrofóbicas e
hidrofílicas conforme apresenta a Figura 1.
Neste trabalho usamos o óleo de copaíba como meio carreador, ou seja, o meio
em que serão dissolvidas as nanopartículas.
Porém a estabilidade do fluido magnético biocompatível, no caso de potenciais
aplicações biomédicas, sugere que ao entrar no meio biológico o fluido pode sofrer
desestabilização não chegando a quantidades suficientes para tratar o tecido doente. Por
outro lado buscam-se cobertura biocompatíveis mais eficientes para as nanopartículas
magnéticas com o objetivo de conseguir um fluido magnético estável e de fácil difusão
pelos tecidos [SANTOS, 2004]. O objetivo deste trabalho é estudar a estabilidade física
do fluido magnético do óleo de copaíba.
1.1- Fluido Magnético
Os fluidos magnéticos são suspensões coloidais de nanopartículas magnéticas.
Um colóide é uma dispersão de pequenas partículas de um material em outro. O
contexto de “pequeno” caracteriza uma dimensão menor do que cerca de 500 nm (o
comprimento de onda da luz visível). Em geral, as partículas coloidais são agregadas de
numerosos átomos ou moléculas, mas muito pequenas para serem vistas nos
microscópios óticos comuns. Essas partículas passam através da maioria dos papéis de
filtro, mas podem ser observadas pelo espalhamento da luz e pela sedimentação
[ATKINS & PAULA, 2004].
Segundo [ATKINS & PAULA, 2004], os tipos de colóides dependem da fase
dispersa e da fase dispersante. Um sol é uma dispersão de um sólido num líquido ou de
um sólido num sólido. Um aerossol é uma dispersão de um líquido num gás. Nestes
casos é possível que as partículas sejam visíveis no microscópio. Uma emulsão é uma
dispersão de um líquido num líquido.
Outra classificação dos colóides divide-os em duas classes: a dos colóides
liófilos, que atraem o solvente e a dos colóides liófobos, que repelem o solvente. Se o
solvente for à água, em vez dos termos anteriores diz-se que os colóides são hidrófilos
ou hidrófobos, respectivamente [ATKINS & PAULA, 2004].
18
Os fluidos magnéticos são formados por partículas de dimensões nanométricas, e
como a Figura 1 tenta ilustrar, dispersas em solventes apropriados e cuja concentração
situa-se entre 10 13 e 10 18 partículas/ cm 3 .
A fórmula geral das nanopartículas cúbicas é MFe 2 O 4 , onde M é um cátion
metálico bivalente. Fluidos magnéticos menos convencionais podem ser obtidos a partir
de nanopartículas de sulfeto de ferro (Fe 3 S 4 ) ou nitreto de ferro (Fe X N Y ).
1.2- Interações Físicas no Fluido Magnético
Nos fluidos magnéticos há varias interações físicas, e para que exista
estabilidade no fluido e necessário que ocorra um balanceamento entre elas, de maneira
que deixe as nanopartículas suspensas na forma de entidades isoladas, para que não haja
precipitação.
As interações presentes no sistema fluido magnético são:
Forças gravitacionais: é uma força de atração mútua que os corpos
materiais exercem uns sobre os outros;
Forças elétricas: é originada pela interação de uma carga elétrica com
outras cargas elétricas, que podem ter sinal positivo ou negativo. Esta
força pode ser de repulsão ou atração, conforme os sinais das cargas; se
de sinais contrários se atraem ou se de sinais iguais se repelem;
Forças magnéticas: é o fenômeno físico que consiste nas forças de
atração e repulsão exercidas por certos metais, e está presente na
interação das maguemitas;
Forças de Van der Waals: são forças de atração ou repulsão entre as
moléculas (ou entre as partes da mesma molécula);
Ponte de Hidrogênio: são interações que ocorrem entre o átomo de
hidrogênio e dois ou mais átomos, de forma que o hidrogênio sirva de
"elo" entre os átomos com os quais interagem. São as interações
intermoleculares mais intensas, medidas tanto sob o ponto de vista
energético quanto sob o ponto de vista de distâncias interatômicas.
Energia Térmica: é a interação devido ao movimento Browniano das
moléculas, correspondendo a uma agitação térmica diretamente
proporcional a temperatura.
19
Energia Estérica: consiste na interação de atração ou repulsão entre as
moléculas adsorvidas na superfície das nanopartículas.
A matéria prima usada na maioria dos fluidos magnéticos em estudos, com
potencial de aplicações, são preparados à base de materiais de origem mineral e
manipulados artificialmente em laboratórios com coberturas minerais ou orgânicas
[SANTOS, 2004].
1.3- Óleo de Copaíba
Na tentativa de preparar fluidos magnéticos à base de substâncias orgânicas nos
leva as várias alternativas e uma delas e de grande potencial pode ser o óleo de copaíba.
A Copaíba (Copaifera) são árvores nativas da região tropical da América Latina
e também da África Ocidental (Figura 2). Popularmente conhecidas como copaibeiras
ou pau d´óleo, as copaíbas são encontradas facilmente nas Regiões Amazônicas e
Centro-Oeste do Brasil [VEIGA JR. & PINTO, 2002].
Figura 2: À esquerda temos a árvore de Copaíba e a direita podemos ver as suas sementes(www.clubedasemente.org.br).
No Brasil, a espécie Copaifera langsdorffii é particularmente importante por está
distribuída por todo o território da Amazônia a Santa Catarina, no nordeste e Centro-
20
Oeste e por possuir quatro diferentes variedades: C. langsdorffii var. grandifolia,
grandiflora, laxa e glabra [VEIGA JR. & PINTO, 2002].
No estado de Rondônia é comum encontrar mulheres e filhos de madeireiros ao
longo da estrada que liga Porto Velho a Ariquemes, vendendo óleo de copaíba. O óleo
de copaíba é um líquido transparente cuja coloração varia do amarelo ao marrom. Para
utilização farmacológica os óleos mais escuros e viscosos são os preferidos. Somente na
espécie Copaifera langsdorffii o óleo de copaíba apresenta-se vermelho, recebendo a
denominação popular de copaíba vermelha [VEIGA JR. & PINTO, 2002].
A designação correta para o óleo da copaíba é a de óleo-resina por ser um
exudato constituído por ácidos resinosos e compostos voláteis. Também é chamado
erroneamente de bálsamo de copaíba, apesar de não ser um bálsamo verdadeiro, por não
conter derivados do ácido benzóico ou cinâmico. A Figura 3 apresenta o processo
primário de extração do óleo de copaíba.
Figura 3: Extração do óleo de copaíba (www.funai.gov.br)
O óleo resina de copaíba é uma resina líquida rica em sesquiterpenos e
diterpenos em diferentes concentrações. Sua fração mais volátil é composta de
sesquiterpenos, enquanto a fração mais pesada, resinosa, é composta por diterpenos. A
fração óleo essencial compõe-se basicamente de sesquiterpenos e pode chegar a compor
80% do óleo-resina, dependendo da espécie de copaíba. A fração resina compõe-se de
21
ácidos diterpênicos bicíclicos e tetracíclicos derivados dos grupos labdano, kaurano, e
clerodano [VEIGA JR. & PINTO, 2002].
1.4-Técnicas de Caracterização
No processo de caracterização desse fluido magnético foram utilizadas técnicas
de Birrefringência Magnética Estática, Susceptibilidade Magnética, Magnetização e
Permeabilidade Magnética.
1.4.1- Birrefringência Magnética
A birrefringência magnética é uma propriedade que envolve a resposta da
propagação da luz em meios onde os índices de refração nas direções paralela ( ∕∕) e
perpendicular ( ⊥) ao campo aplicado são diferentes. O fenômeno observado consiste
na rotação óptica da componente polarizada da luz quando atravessa o meio. O ângulo
de rotação será dependente da natureza da substância, da espessura da amostra e da
concentração [SANTOS, 2004].
Quando em presença de um campo magnético estático, o momento magnético
das nanopartículas do fluido magnético sofre um torque e tende a alinhar-se ao longo do
campo magnético aplicado. Removido o campo externo as orientações das
nanopartículas iniciam um processo de randomização. Em decorrência deste processo a
birrefringência varia com o tempo conforme (BACRI et al., 1987a): a expressão∆ ( ) = ∆ ( , )exp (−( , )), (01)
sendo o tempo característico( , ), D o diâmetro da nanopartícula e H o campo
magnético.’
O diâmetro ( ) pode ser obtido do ajuste da curva de birrefringência.
A técnica de birrefringência tem sido usada para obtenção do perfil de
polidispersidade em diâmetro das nanopartículas. Medidas de birrefringência dinâmica
dão informações sobre o volume hidrodinâmico das nanopartículas. O volume
hidrodinâmico considera o volume físico acrescido da camada de cobertura ligada a
nanopartícula. Uma característica importante desta técnica é a possibilidade de
informações sobre o grau de agregação da amostra (DAVIES et al., 1979).
22
1.4.2- Susceptibilidade Magnética
A susceptibilidade magnética em fluidos magnéticos retrata a resposta ao campo
magnético com respeito à dispersão e absorção de energia. A susceptibilidade diminui à
medida que decresce o tamanho da partícula, o mesmo ocorrendo com a magnetização
do sistema (ROSENSWEIG, 1985).
Considerando um fluido magnético com uma polidispersão de nanopartículas
submetido ao campo magnético H, a energia do sistema resultara da população de
momentos magnéticos alinhados com o campo e contrário ao campo magnético. Ao
retirarmos o campo magnético o momento magnético da nanopartícula terá basicamente
dois mecanismos de relaxação: a relaxação Browniana e relaxação de Néel. Tais
processos de relaxação dependem da relação entre a energia térmica e a energia de
anisotropia, com dois casos limites:
(1) ≫ 1: Neste caso, temos a possibilidade de relaxação Browniana (rotação
extrínseca), pois o momento magnético da nanopartícula está bloqueado na direção do
eixo de fácil magnetização. A relaxação ocorre devido à rotação das nanopartículas. O
tempo de relaxação tem origem hidrodinâmica sendo dado por (FRANKEL et al.,
1955):
= , (02)
em que ( ) é o volume hidrodinâmico da partícula, ( ) a viscosidade do líquido
carreador, k a constante de Boltzmann e (T) a temperatura absoluta. No caso onde o
fluido magnético é congelado este mecanismo desaparece não possibilitando o
movimento de rotação mecânica da nanopartícula.
(2) ≪ 1: Neste caso, temos a possibilidade de relaxação de Néel (rotação de
intrínseca). O momento magnético não está preso ao eixo de fácil magnetização e,
portanto, gira em relação ao mesmo, sendo dependente de parâmetros tais como volume
(V), anisotropia magnética (K) e temperatura (T). A energia térmica é suficientemente
grande para introduzir flutuações da magnetização da partícula dentro de um tempo
( ), tempo de relaxação de Néel, dado por (NÉEL, 1949):
= exp , (03)
sendo é uma constante com valor típico de 10-9 segundos.
Em geral, ambos os mecanismos contribuem para a relaxação, com um tempo de
relaxação efetivo dado por (NÉEL, 1949):
23
=
. (04)
O processo é determinado pelo menor tempo característico. Se ≫ , então= . Se ≪ , então = . O valor crítico do volume da partícula ocorre
quando = . Os tempos de relaxação ( , ) podem ser obtidos a partir do máximo
da componente imaginária da susceptibilidade magnética do fluido magnético
(FANNIN et al., 1989).
Sistema montado para as realizações das medidas de susceptibilidade magnética
na Figura 4 abaixo:
Figura 4: Diagrama esquemático do sistema desenvolvido para medir a susceptibilidademagnética de diferentes amostras.
O sistema mostrado na figura 4 tem a finalidade de medir a susceptibilidade
magnética, ele consiste na coleta de dados obtidos a partir da massa medida na
declinação de uma balança analítica . Usando dois magnetos imãs aparados de uma
fonte de tensão variável, podemos também variar o campo magnético ⃗ (campo esse
24
medido com o auxilio um Teslímetro conectado a um sensor entre os magnetos imãs)
que agi sobre uma amostra de fluido magnético entre eles, e a partir daí deduzir uma
expressão que relaciona a susceptibilidade magnética com a variação na declinação da
balança. Declinação essa produzida pela ação do campo magnético ⃗ gerado pelos
magnetos imãs, que criou uma força magnética ⃗ sobre a amostra de fluido magnético,
com isso também apresentamos a função distância “d” da amostra do fluido magnético
em relação ao imã inferior como uma medida de padrão fixo que vamos chamar “d”,
usamos essa expressão para todas as medidas com o intuito de simplificar a coleta de
dados na balança.
O campo magnético ⃗ num ponto P qualquer gerado por um dipolo localizado
na origem do sistema de coordenadas pode ser descrito pela seguinte relação:=
[3. ( ⃗. ̂) ̂ − ⃗], (05)
sendo μ a permeabilidade no vácuo, ⃗ o momento magnético do imã e ⃗ a distânciaentre o imã e a amostra. (µ = 4. 10 , no SI).
Como o dipolo está orientado na direção z que é a mesma direção de ⃗, temos
que ⃗. ̂ = ⃗, então a expressão acima se reduz a,= ⃗ =
[2 ]. (06)
Segundo [CARNEIRO et al., 2003], a força magnética ⃗ entre os dois dipolos
magnéticos é definida como sendo igual a⃗ = ( ⃗ ) ⃗ , (07)
em que ⃗ o momento magnético e ⃗ o campo magnético.
E aplicando os dados experimentais na expressão abaixo, onde é a
susceptibilidade magnética do ar ( = 0, 364 10 , no SI), a massa produzida
pela declinação da balança, “d’’a distância entre a amostra e o magneto imã inferior e g
a aceleração da gravidade igual a 9,8 m/s2 obtemos a susceptibilidade magnética como
sendo = + , (08)
e a expressão final que relaciona os dados obtidos no experimento com a balança
analítica para a susceptibilidade magnética sendo igual a= + . (09)
25
2- MATERIAIS E MÉTODOS
2.1- Materiais
Na execução deste trabalho foram preparadas nanopartículas de maguemita pelo
método de cooprecipitação que consiste na reação de sais e bases.
Algumas concentrações de nanopartículas magnéticas foram dispersas no Óleo
de Copaíba para as medidas de Birrefringência Magnética Estática, outras foram
revestidas com ácido oléico e também dispersas em Óleo de Copaíba para serem
submetidas às medidas de Susceptibilidade Magnética, Magnetização e Permeabilidade
Magnética.
As nanopartículas foram preparadas no Instituto de Física - UnB e laboratório
científico do Departamento de Física Unir em Porto Velho.
2.2- Nanopartícula Magnética
Figura 5: Imagem de um fragmento de maguemita (webmail.com/data/Maghemite.shtml).
Figuras 6: Representa em (a) e em (b) a estrutura da maguemita que é do tipo espinélio inverso,e possui fórmula geral do tipo XY2 O3, onde o íon X tetraédrico tem carga +3 e o íon Yoctaédrico carga +2 e +3, respectivamente.
a) b)
26
2.3- Componentes Moleculares do óleo de Copaíba.
O óleo de copaíba é composto por sesquiterpenos: cariofileno e calameneno e
por diterpenos que são na sua maioria ácidos: ácido 16-beta-kauran-19-carbônico,
ácido kaur-16-en-19-carbônico (Figura 8), ácido 7-hidroxi-harwickico, ácido beta-
metacopaíbico, ácido copaiférico, ácido copaiferólico, ácido copálico (Figura 8), ácido
enantio-agático, ácido eperu-8(20)-em-15, 18-dióico, ácido hardwickico (Figura 8),
ácido homoparacopaíbico, ácido ilurínico, ácido paracopaíbico, ácido poliáltico,
aloaromadendreno, alfa-bergamoteno, alfa-cubeneno, alfa-multijugenol, alfa-selineno,
ar-curcumeno, beta bisaboleno, beta-cubeneno, beta elemeno, beta-farneseno, beta-
humuleno, beta-muroleno, beta selineno, calameseno, carioazuleno, copaeno, cipereno,
delta-cadineno, delta-elemeno, gama-cadineno, gama-elemeno, gama-huleno,
maracaibo-bálsamo, óxido cariofileno e trans-alfa-bergamoteno.
Figura 7: Estrutura molecular ácido copálico, hardwickico e kaur-16-en-19-carbônicorespectivamente (VEIGA JR. & PINTO, 2002).
2.4- Procedimentos Experimentais
Algumas amostras de fluido magnético de copaíba foram preparadas usando
nanopartículas de maguemita (para as medidas de Birrefringência Magnética) e outras
usando magnetita (para medidas de Susceptibilidade Magnética, Magnetização e
Permeabilidade Magnética) e óleo natural extraído na região de Porto Velho, as medidas
de Birrefringência Magnética foram feitas utilizando um laser de luz monocromática de
comprimento de onda 693nm juntamente com um eletroímã, para Susceptibilidade
Magnética, Magnetização e Permeabilidade Magnética foram feitas medidas numa
balança analítica, juntamente com um eletroímã.
27
2.4.1- Preparação da nanopartícula
A nanopartícula magnética de maguemita foi preparada usando o método de
coopreciptação. O método consiste na reação térmica de sais e bases.
a) Coopreciptação da Maguemita
As soluções são preparadas como segue: foi misturada uma solução de 0,5 molar
de Cloreto ferroso (FeCl 2 x 4H 2 O) e 1 molar de Cloreto Férrico (FeCl 3 x 6H 2 O). Em
um béquer de 400 ml são adicionadas 90 ml dessa solução e sob agitação é acrescentado
120 ml de hidróxido de Amônia (25%). Primeiro foi observado à formação de um gel e
um precipitado preto. A dispersão é aquecida a 60ºC por 30 minutos. Depois as
partículas magnéticas são separadas na presença de um campo magnético e o
sobrenadante descartado e trocado por água. Este processo é repetido 5 vezes e o pH
determinado variando entre 8 e 9.
b) Preparação da maguemita sob condições de dispersão ácida sem
estabilizadores orgânicos
O pH da solução foi levado a 2 para ajudar na estabilidade, com adição de ácido
clorídrico gota a gota. Este processo é repetido algumas vezes até as partículas
estabilizarem. As nanopartículas depositadas no fundo do recipiente foram dispersas por
ultra-som e/ou por dispersão mecânica. A concentração de maguemita ficou limitada na
ordem de 1% do volume total. A dispersão mostrou a presença de aglomerados de
maguemita.
2.4.2- Preparação do Fluido Magnético de Maguemita
Foram preparadas amostras num volume de 3 ml de óleo de Copaíba e disperso
sob agitação mecânica, usando nanopartículas de maguemita (α-Fe 2 O 3 ) nas
concentrações de óleo conforme Tabela 1. Na Figura 8 observam-se as amostras
preparadas para a realização das medidas.
28
Figura 8: Fluído magnético de óleo de copaíba e Maguemita.
Tabela 1: Concentrações de Óleo de Copaíba e Nanopartícula de Maguemita para asmedidas de Birrefringência Magnética.
Óleo de Copaíba
Concentração (%)
Maguemita (Fe 2 O 3 )
Concentração (%)
99, 20 0, 80
99, 60 0, 40
98, 50 1, 50
96, 90 3, 10
93,80 6,20
Depois de preparadas às amostras, as medidas de Birrefringência Magnética
Estática foram realizadas.
2.4.3- Preparação do Fluido Magnético de Magnetita
Depois das amostras de Maguemita já preparadas, foram separados num becher
de 300 ml, 6,30g de maguemita e 63 ml de ácido oléico foram adicionados, em seguida
o fluido produzido por essa mistura foi sujeito a uma agitação magnética de 10min onde
houve um processo de “homogeneização” e parte do ácido oléico foi adsorvida na
superfície da nanopartícula. E para tirar o excesso de ácido oléico essa mistura foi
29
lavada com etanol por 10 vezes. Em cada lavagem era adicionado etanol no becher com
a mistura, e esperava-se até que as nanopartículas se precipitassem para o fundo do
becher e o sobrenadante era descartado em todas as etapas. Ao termino dessas etapas o
que sobrou no becher foi um precipitado preto que foi levado para o processo de
secagem na estufa, por um período de tempo.
Após o término da secagem observou-se uma formação bem sólida no fundo do
becher, que foi retirada e passada pelo processo de moagem, no que resultou em
nanopartículas de magnetita.
O peso final após a complexação da nanopartícula foi de 6,44g, isso devido à
adsorção de ácido oléico na superfície da nanopartícula.
Foram tomadas amostras num volume de 3 ml de óleo de Copaíba e disperso sob
agitação mecânica, usando nanopartículas de magnetita nas quantidades especificadas
na Tabela 2.
Tabela 2: Concentrações de Óleo de Copaíba e Nanopartícula de Maguemita para asmedidas de Susceptibilidade Magnética, Magnetização e Permeabilidade Magnética.
Óleo de Copaíba
Volume (ml)
Magnetita
Peso (g)
3 0,05
3 0,10
3 0,15
3 0,20
3 0,25
3 0,30
3 0,35
Depois de preparadas às amostras, as medidas de Susceptibilidade Magnética,
Magnetização e Permeabilidade Magnética foram realizadas.
30
3- RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1- Birrefringência Magnética Estática
A Figura 9 mostra os dados experimentais não linearizados para a
microbirrefringência versus campo magnético, para as diferentes concentrações de
maguemita, apresentando na menor concentração, um sinal mais intenso para a
microbirrefringência na região onde o campo magnético é de 40 mT. Percebe-se um
menor sinal da microbirrefringência na concentração de 3,12% de maguemita, que se
localiza logo mais abaixo, tendo uma maior microbirrefringência na região de campo
magnético igual a 39,5 mT.
Na Figura 10 temos o mesmo espectro, mas linearizado podendo-se conferir o
coeficiente de ajuste linear na tabela 3, onde observamos um maior erro padrão tanto
para a microbirrefringência como para o campo magnético na concentração de 0,39% de
maguemita.
31
35 36 37 38 39 40 41 42 43 441,75
1,76
1,77
1,78
1,79
1,80
1,81
MIC
ROBI
RREF
RING
ÊCIA
(u.a
.)
CAMPO MAGNÉTICO (mT)
0,78% maguemita 0,39% maguemita 1,56% maguemita 3,12% maguemita 6,25% maguemita
Figura 9: Espectro de Birrefringência magnética estática para todas as concentrações demaguemita sem ajuste linear, fluido magnético a temperatura ambiente.
35 36 37 38 39 40 41 42 43 441,75
1,76
1,77
1,78
1,79
1,80
1,81
MIC
ROBI
RREF
RING
ÊCIA
(u.a
.)
CAMPO MAGNÉTICO (mT)
0,78% maguemita 0,39% maguemita 1,56% maguemita 3,12% maguemita 6,25% maguemita Ajuste linear
Figura 10: Espectro de Birrefringência magnética estática para todas as concentrações demaguemita com ajuste linear, fluido magnético a temperatura ambiente.
32
Tabela 3: Coeficientes dos ajustes lineares para cada concentração de maguemita dográfico da figura (10).
MAGUEMITA 0,78%PARAMETROS VALOR ERRO PADRÃO
CAMPO MAGNÉTICO 1, 68405 0, 01589MICROBIRREFRINGÊCIA 0, 00239 4, 06128x10-4
MAGUEMITA 0,39%PARAMETROS VALOR ERRO PADRÃO
CAMPO MAGNÉTICO 1, 61613 0, 05428MICROBIRREFRINGÊCIA 0, 00426 0, 00142
MAGUEMITA 1,56%PARAMETROS VALOR ERRO PADRÃO
CAMPO MAGNÉTICO 1, 64008 0, 01896MICROBIRREFRINGÊCIA 0, 0034 4, 82746 x10-4
MAGUEMITA 3,12%PARAMETROS VALOR ERRO PADRÃO
CAMPO MAGNÉTICO 1, 68586 0, 02405MICROBIRREFRINGÊCIA 0, 00196 6, 11305 x10-4
MAGUEMITA 6,25%PARAMETROS VALOR ERRO PADRÃO
CAMPO MAGNÉTICO 1, 64595 0, 03292MICROBIRREFRINGÊCIA 0, 00326 8, 39008 x10-4
3.2- Susceptibilidade Magnética
A Figura 11 mostra o gráfico da susceptibilidade magnética versus campo
magnético para as diferentes concentrações de fluido magnético de magnetita,
apresentando um padrão crescente nas concentrações que vão de 50mg de magnetita até
350mg, observa-se uma maior susceptibilidade na região de campo magnético igual a
42mT a 44mT, sendo que a partir desse campo temos um padrão decrescente para a
susceptibilidade. Na figura 12 temos a susceptibilidade magnética versus concentração
onde então sendo mostradas separadamente as três linhas de picos mais intensos que
seguem um padrão fixo e crescente conforme se segue as concentrações.
33
32 34 36 38 40 42 44 46 48 500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0 MF005GMA
MF010GMA
MF015GMA
MF020GMA
MF025GMA
MF030GMA
MF035GMA
SUSC
EPTI
BILI
DADE
(u.a
)
CAMPO MAGNÉTICO (mT)
Figura 11: Gráfico da susceptibilidade magnética versus campo magnético a temperaturaambiente.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
SUSC
EPTI
BILI
DADE
MAG
NÉTI
CA (u
.a)
CONCENTRAÇÃO (mg/ml)
PRIMEIRO PICO MAIS INTENSSO SEGUNDO PICO MAIS INTENSSO TERCEIRO PICO MAIS INTENSSO
Figura 12: Gráfico da susceptibilidade magnética versus concentração a temperatura ambiente.
34
3.3- Magnetização
A Figura 13 mostra o gráfico da magnetização versus campo magnético para as
diferentes concentrações de fluido magnético de magnetita, apresentando um padrão
crescente em todas as concentrações, conforme se pode ver a cada aumento de 50mg de
magnetita vemos um aumento na magnetização, apresentando seu maior pico nas
regiões de campo magnético que compreende entre 42mT e 44mT, para a concentração
que se estendem de 50mg a 350mg de magnetita. Também observamos que acima de
44mT a magnetização apresenta um padrão decrescente. Na figura 14 temos o gráfico
da magnetização versus concentração onde então sendo mostradas separadamente as
três linhas de picos mais intensos que seguem um padrão fixo e crescente conforme se
segue as concentrações.
32 34 36 38 40 42 44 46 48 500
1
2
3
4
5
6
7 MF005GMA MF010GMA MF015GMA MF020GMA MF025GMA MF030GMA MF035GMA
Mag
netiz
ação
(u.a
)
CAMPO MAGNÉTICO (mT)
Figura 13: Gráfico da magnetização versus campo magnético a temperatura ambiente.
35
0 50 100 150 200 250 300 350 4002
3
4
5
6
7
MAG
NETI
ZAÇÃ
O (u
.a)
CONCENTRAÇÃO (mg/ml)
PRIMEIRO PICO MAIS INTENSSO SEGUNDO PICO MAIS INTENSSO TERCEIRO PICO MAIS INTENSSO
Figura 14: Gráfico da magnetização versus concentração a temperatura ambiente.
3.4- Permeabilidade Magnética
A Figura 15 mostra o gráfico da permeabilidade relativa versus campo
magnético para as diferentes concentrações de fluido magnético de magnetita,
apresentando um padrão crescente nas concentrações com exceção da amostra de
concentração igual a 50mg, onde o aumento a permeabilidade pode ser considerado
desprezível, conforme se pode ver a cada aumento de 50mg de magnetita vemos um
aumento na permeabilidade, apresentando seu maior pico nas regiões de campo
magnético que compreende entre 42mT e 44mT, para a concentração que se estendem
de 100mg a 350mg de magnetita. Também observamos que acima de 44mT a
permeabilidade apresenta um padrão decrescente. Na figura 16 temos o gráfico da
permeabilidade relativa versus concentração onde então sendo mostradas
separadamente as três linhas de picos mais intensos que seguem um padrão fixo e
crescente conforme se segue as concentrações.
36
32 34 36 38 40 42 44 46 48 500,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6 MF005GMA MF010GMA MF015GMA MF020GMA MF025GMA MF030GMA MF035GMA
Perm
eabil
idade
Rela
tiva
(u.a
)
CAMPO MAGNÉTICO (mT)
Figura 15: Gráfico da permeabilidade magnética versus campo magnético a temperaturaambiente.
0 50 100 150 200 250 300 350 4001,0
1,5
2,0
2,5
3,0
PERM
EABI
LIDA
DE R
ELAT
IVA
(u.a
)
CONCENTRAÇÃO (mg/ml)
PRIMEIRO PICO MAIS INTENSSO SEGUNDO PICO MAIS INTENSSO TERCEIRO PICO MAIS INTENSSO
Figura 16: Gráfico da permeabilidade magnética versus concentração a temperatura ambiente.
37
4- CONCLUSÕES
Através dos resultados das amostras de fluido magnético de copaíba, realizadas,
observamos que:
A Susceptibilidade Magnética, a Magnetização e a Permeabilidade Magnética
permitiram perceber uma grande polidispersão em diâmetro para diferentes amostras,
devido ao fato de não seguir um padrão fixo nas medidas.
A Birrefringência magnética serviu para verificarmos as interações dipolares que
ocorrem entre as nanopartículas.
A instabilidade do fluido magnético foi evidente, pois o colóide sofreu separação
de fase com o tempo devido à presença das forças gravitacionais, elétricas, magnéticas,
de Van der Waals, pontes de hidrogênio, estérica e dipolar magnética. Estas
considerações não são conclusivas merecendo aperfeiçoamento dos estudos.
5- PERSPECTIVAS
No intuito de que as medidas sigam um padrão fixo, nos trabalhos futuros
iremos melhorar a preparação das nanopartículas, testando novas moléculas de
cobertura com novos meios carreadores.
38
6- REFERÊNCIAS
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861 (2004).
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