Uma contribuição ao nanomagnetismo : dependência térmica da coercividade e da anisotropia magnética em sistemas polidispersos de partículas ferrimagnéticas

Abstract

Nanopartículas magnéticas são nanomateriais amplamente estudados devido a seu potencial para aplicações em diversos ramos, desde a biomedicina, até o armazenamento magnético de informações, passando pela captação de energia. Entre as propriedades mais importantes das nanopartículas, no contexto destas aplicações, estão duas grandezas intimamente ligadas à estrutura cristalina do material: a magnetização de saturação e a anisotropia magnética, que devem ser consideradas nas temperaturas utilizadas em cada tipo de aplicação e, sabidamente, são dependentes do tamanho das partículas. Com o objetivo de estudar a dependência térmica dessas grandezas, foram sintetizados ferrofluidos diluídos a base de nanopartículas de ferrita de cobalto, com dois tamanhos médios diferentes. As nanopartículas foram produzidas pelo método da coprecipitação hidrotérmica em meio básico seguido de tratamento hidrotérmico superficial com nitrato férrico, responsável pela criação de uma camada de maguemita que protege as partículas da dissolução em meio ácido e permite a obtenção de um nanocoloide estável. As nanopartículas sintetizadas tiveram suas propriedades químicas, estruturais e morfológicas caracterizadas por diversas técnicas, enquanto a estrutura local dos ferrofluidos foi investigada em experimentos de SAXS. Ainda, as propriedades magnéticas básicas das amostras foram investigadas por meio de experimentos de magnetização em função da temperatura realizados em alto e baixo campo. A investigação da anisotropia das amostras foi inicialmente realizada pelos experimentos em baixo campo, por meio do protocolo ZFC-FC, amplamente utilizado na literatura. Todavia, este se mostrou insuficiente devido à combinação de anisotropia e tamanho em uma das amostras. Nesse contexto, foram medidos os ciclos de histerese em diversas temperaturas e a anisotropia foi, então, sondada utilizando a dependência térmica da coercividade. No entanto, ao tentar explicar a variação do campo coercitivo em função da temperatura, a lei de Kneller, comumente empregada para esse fim, diverge dos dados experimentais. Neste trabalho, os motivos desta divergência são discutidos de maneira aprofundada e a discussão culmina na proposição de um modelo capaz de explicar os dados experimentais aqui apresentados. O modelo proposto leva em conta a contribuição das partículas superparamagnéticas, cuja proporção relativa aumenta com a temperatura, ressaltando a importância da distribuição de tamanhos das nanopartículas. Adicionalmente, a dependência térmica da magnetização de saturação é considerada e permite, ainda, determinar a dependência térmica da constante de anisotropia em toda a faixa entre 2 e 300 K, grandeza normalmente inacessível em sistemas de nanopartículas devido ao fenômeno do superparamagnetismo. O modelo é discutido em detalhe, assim como o efeito de cada variável sobre a coercividade e suas implicações no comportamento magnético de sistemas polidispersos de nanopartículas ferrimagnéticas.