Estrutura local e propriedades termodifusivas de nanocolóides magnéticos

Abstract

Nesse trabalho, investigamos a organização estrutural e a dinâmica de dispersões de nanopartículas (NPs) magnétiques de ferrita obtidas por coprecipitação em meio alcalino de íons de Fe3+ e M2+ (M2+ = Co2+, Mn2+), protegidas por uma coroa de maguemita. As amostras são obtidas à partir da síntese com uma fração volumétrica Φ ≈ 1%, pH ≈ 2 e uma força iônica I imprecisa, ou em pH = 3 e I = 10-3 mol/L, ambos valores fixados por compressão osmótica até Φ ≈ 30 % (seguido eventualmente de uma diluição). A organização estrutural das NPs, que são carregadas positivamente, é investigada por espalhamento de raios X em baixo ângulo. A análise da intensidade espalhada permite extrair fatores de forma e de estrutura das NPs desde situações onde existem atrações pouco intensas entre NPs para situações de fortes repulsões interpartículas até mais altas concentrações nas quais o colóide se torna vítreo. O pico de primeiro vizinho do fator de estrutura, observado na fase fluida, tende a colapsar. A dinâmica das NPs é testada por espalhamento Rayleigh forçado. Um padrão periódico de temperatura é criado em amostras fluidas utilizando a imagem de uma grade formada por um feixe de luz. Este induz uma rede de concentração via efeito Soret: Quando o feixe de luz é cancelado, a rede relaxa por difusão de massa de NPs. A modulação temporal do feixe de luz permite determinar o coeficiente Soret Φ! negativo, as NPs migram para regiões quentes. Este é proporcional à compressibilidade do sistema de NPs. Um modelo de Carnahan-Starling é proposto para descrever a dependência com Φ da compressibilidade e de Φ! numa gama de valores baixos de Φ onde as amostras permanecem fluidas, longe da transição vítrea. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT

The spatial organization and the dynamics of ferrite magnetic nanoparticles (NPs) in dispersion are here studied. The NPs are obtained by coprecipitation of Fe3+ and Co2+ (or Mn2+) ions in alkaline medium and protected by a maghemite shell. Colloidal samples are either directly issued from chemical synthesis at volume fraction Φ ≈ 1% and pH ≈ 2 with the ionic strength I badly controlled, or at pH = 3 with I = 10-3 mol/L, both being fixed by osmotic stress at Φ up to 30%. A controlled sample dilution is then possible. Spatial organization of positively charged NPs is probed by small angle x-ray scattering. The analysis of the scattered intensity allows to extract form and structure factors of the NPs, in conditions ranging from weakly interparticle attraction to strong repulsion for which at large Φ the system becomes glassy. The first-neighbor peak of the structure factor, observed in Fluid phase, tends to disappear in glassy samples. The NPs dynamics is probed by Rayleigh forced scattering. A periodic array of temperature is created in the fluid sample via the image of a grid using a pump beam. It induces by Soret effect, an array of NPs concentration in the sample. If the pump beam is shut down, the concentration array relaxes by massic NPs diffusion. A temporal pump modulation allows to determine the Soret coefficient Φ!, here negative, the NPs go towards hot regions. Φ! is proportionnal to the compressibility of the NPs system. A description based on a Carnahan-Starling model is proposed to describe the Φ - dependence of both compressibity and Soret effect in the range of weak Φ's, where the samples remain Fluid, far from the glassy transition. ______________________________________________________________________________________ RÉSUMÉ

Ce travail étudie l'organisation structurale et la dynamique de dispersions de nanoparticules (NPs) magnétiques de ferrite obtenues par coprécipitation en milieu alcalin d'ions Fe3+ et M2+ (M2+ = Co2+, Mn2+), protégées par une couronne de maghémite. Les échantillons sont - soit directement issus de la synthèse à une fraction volumique Φ ≈ 1%, pH ≈ 2 et une force ionique I mal contrôlée, - soit à pH = 3 et I = 10-3 mol/L, tous deux fixés par stress osmotique jusqu’à Φ ≈ 30 % (puis dilution éventuelle). L’organisation spatiale des NPs, chargées positivement, est testée par diffusion de rayons X aux petits angles. L’analyse de l’intensité diffusée permet d’extraire facteurs de forme et de structure des NPs dans des situations allant depuis de faibles attractions entre NPs jusqu’à de fortes répulsions, pour lesquelles aux très fortes Φ , le colloïde devient vitreux. Le pic premiervoisin du facteur de structure, observé en phase Fluide tend alors à disparaître. La dynamique des NPs est sondée par diffusion Rayleigh forcée. Un motif périodique de température est créé dans l’échantillon fluide via l’image d’une grille par un faisceau pompe induisant par effet Soret un réseau de concentration en NPs: à la coupure de la pompe le réseau relaxe par diffusion massique des NPs. La modulation temporelle de la pompe permet de déterminer le coefficient Soret Φ! négatif, les NPs migrent vers les zones chaudes. Celui-ci est proportionnel à la compressibilité du système des NPs. Un modèle de type Carnahan-Starling est proposé pour décrire la dépendance en Φ de la compressibilité et de Φ! dans la gamme des faibles Φ, où les échantillons restent fluides, loin de la transition vitreuse.