Dispersões de nanopartículas magnéticas do tipo core-shell : propriedades magnéticas e termodifusivas

Abstract

Dispersões de nanopartículas magnéticas (NPs) são alvo de pesquisas científicas, devido sua ativação por agentes externos, como campo magnético e temperatura. Essa característica promove sua utilização na vetorização de drogas, no controle de fluxo de moléculas, na conversão de energia, entre outros. Logo, estuda-se esses materiais com a finalidade de torná-los cada vez mais eficientes e encontrar outras aplicações. O principal objetivo desta tese é investigar as propriedades físicas decorrentes do tamanho reduzido e da composição química das partículas (particularmente as magnéticas) e qual seu papel no movimento termoforético e no efeito magneto-calórico. Para esse propósito, foram sintetizados ferrofluidos compostos de NPs baseadas em ferritas de Mn, Co e mistas de Zn-Mn, recobertas por uma camada de maguemita, chamadas core-shell. A caracterização das NPs indica estrutura cristalina cúbica do tipo espinélio e forma esférica. Resultados magnéticos evidenciam que os nanomateriais possuem um núcleo ferrimagnético, recobertos por spins congelados desordenadamente (SGL). Devido essa particularidade em sua formação magnética, observa-se o fenômeno da exchange bias nas histereses, quando o sistema é submetido ao field cooling (Hfc). Esse fenômeno foi estudado sistematicamente nas amostras com núcleos duro (CoFe2O4) e macio (MnFe2O4) magneticamente. Disso, mostrou-se que independentemente do núcleo, o campo de bias (Hexc) cresce até atingir um máximo, localizado em Hfc da ordem da metade do campo de anisotropia, e depois decresce. Essa forte dependência na anisotropia, rende valores maiores para o núcleo de ferrita de Co do que para o Mn. Estudando as amostras em pó compactado, descobriu-se o envolvimento de dois tipos de interação de exchange no processo. Em regime diluído predomina o acoplamento interno, entre o núcleo e casca SGL, porém, no pó o contato entre NPs promove um acoplamento interpartículas, formando uma matriz desordenada, rendendo um acoplamento núcleo-matriz. Dispersões com diferentes combinações nanopartícula-solvente foram propostas para estudo do coeficiente Ludwig- Soret (ST ). As propriedades termoforéticas foram sondadas pelo espalhamento Rayleigh Forçado e mostram que independente da composição química e do magnetismo, o comportamento é dominado pelo ligante superficial. As amostras têm grande valor negativo de ST (termofílico), diretamente ligado a compressibilidade osmótica. Os resultados foram modelados pelo formalismo de Carnahan-Staring, e disso nota-se que a fricção em regime diluído é bem descrita pela difusão de Einstein, enquanto no regime concentrado pela equação de Vogel-Fulcher para sistemas interagentes. Como perspectiva de aplicações para os nanomateriais investigou-se o efeito magneto-calórico, sendo os resultados fortemente influenciados pela composição do núcleo, apresentando um índice SLP como o dos materiais comerciais. Em suma, essa tese comprovou a versatilidade desses materiais e demonstrou que existem meios de controlar esses efeitos em nanoescala.