Systems of magnetic nanoparticles: experimental studies and Monte Carlo simulations

Nesta tese apresentamos um estudo do comportamento magnético de sistemas de nanopartículas por meio de medidas experimentais e simulações Monte Carlo. Estudamos o papel das interações entre partículas experimentalmente a baixas temperaturas em amostras de ferrofluidos comerciais por meio de curvas ZFC-FC, delta m e diagramas FORC. Observamos nas curvas ZFC-FC o fenômeno de super-resfriamento e transições de fase do estado sólido para o líquido em ferrofluidos. Para amostras de cristais líquidos dopados com nanopartículas magnéticas, observamos a transição entre as fases isotrópica e nemática. Detectamos em amostras de ferrofluidos e em soluções micelares dopadas com nanopartículas um aumento da viscosidade na presença de um campo magnético aplicado, o chamado efeito magnetoviscoso, que surge devido às interações entre partículas. Nas simulações Monte Carlo, vimos que a temperatura crítica (Tc) diminui com o tamanho das partículas, e que esse comportamento pode ser descrito por uma lei de escala. As simulações também mostraram que uma camada morta na superfície das nanopartículas provoca uma pequena diminuição na temperatura crítica, o que não ocorre quando adicionamos uma camada dura, que pode aumentar significativamente Tc. Para simulações de um sistema de nanopartículas interagentes, demos especial atenção a interpretar de que forma as interações magnetizantes e desmagnetizantes se manifestam em diagramas FORC para um conjunto de nanopartículas com distribuição de tamanhos. Observamos que uma interação desmagnetizante está associada a um deslocamento do pico do diagrama FORC para campos locais de interação Hb positivos e que a presença de uma interação magnetizante pode deslocar esse pico para campos Hc , relacionados à distribuição de coercividades do sistema, maiores.In this thesis we present a study of the behavior of a system of magnetic nanoparticles by means of experimental measurements and Monte Carlo simulations. We experimentally study the role of the interactions between particles at low temperatures in commercial samples of ferrofluids through ZFC-FC, delta m curves, and FORC diagrams. We observed the phenomenon of supercooling and phase transitions from solid to liquid states in the ZFC-FC curves of ferrofluids. For the samples of liquid crystal doped with magnetic nanoparticles, we saw the transition between the isotropic and nematic phases. We detected in the samples of ferrofluids and in micellar solutions doped with nanoparticles an increase of the viscosity in the presence of an applied magnetic field, the so-called magnetoviscous effect, which arises due to interactions between particles. In the Monte Carlo simulations, we found that the critical temperature (Tc) decreases with particle size, a behavior that is described well by a scaling law. The simulations also showed that a dead layer on the surface of the nanoparticles causes a slight decrease in the critical temperature value, what does not occur when we add a hard layer, which increases Tc significantly. For simulations of a system of interacting nanoparticles, we paid special attention to interpret how the magnetizing and demagnetizing interactions manifest themselves in FORC diagrams for a set of nanoparticles with size distribution. We observed that demagnetizing interactions is associated with a displacement of the peak of the FORC diagram to positive values of the local field interaction Hb , and that the presence of a magnetizing interaction can shift this peak to larges values of the Hc field, related to the distribution of coercivities