Auto-organização de partículas coloidais magnéticas

Colloidal systems, typically consisting of mesoscopic particles in a microscopic solvent, can be stabilized so that the colloids crystallize into ordered structures. The predictions of such phases is a relevant problem for technological applications, but it offers difficulties in the case of numerical studies, which are usually associated with the large number of metastable states, which in turn is sensible to the considered theoretical model. Another determining factor is the geometry of the colloid itself. In this dissertation we study the influence of two very important features of self-assembly in colloidal systems, namely: i ) the interparticle interaction, which in this work we consider to be of the magnetic dipolar type; ii) the shape of the colloids, which we assume to be anisotropic, unlike what is usually considered in the literature. Magnetic particles have been chosen because they are widely used in several applications such as magnetic fluids and biomedicine. We use molecular dynamics and Monte Carlo technique in this work in order to obtain the ground state configurations. On the first part of this work, we study the ground state configurations of a two-dimensional binary system of circular magnetic particles in a parabolic trap. We set the magnitude of the magnetic dipole moment of one group of particles, while the magnitude of the dipole moment of the other group is changed. The system presents a spatial separation between the two types of particles so that those ones with higher dipole moment stays on the outer part of the clusters, indicating that the repulsive part of the interaction overcomes the attractive one. We apply a uniform magnetic field parallel to the plane of confinement and we study the minimum energy configurations as a function of the strength of this field. In some cases, we find a non-monotonic behavior of the magnetization (alignment) of the system as a function of the magnetic field strength. On the second part of this work, we study the self-assembly of a two-dimensional system of magnetic particles with anisotropic shape (rod-like) as a function of the size of them. We notice that the increase of the packing fraction, at low temperature, favors the ordering (alignment) of the system. In general, we notice three phases, one phase composed of clusters, a disordered phase and a nematic ordered phase. Finally, we study dependence of the equilibrium structures on temperature, through a correlation function associated to the global alignment of magnetic moments.Sistemas coloidais, tipicamente consistindo de partículas mesoscópicas em um solvente microscópico, podem ser estabilizados de modo que os colóides se cristalizam em estruturas ordenadas. Predizer com exatidão tais fases ordenadas é um problema relevante com vistas à aplicação tecnológica, mas que oferece dificuldades que, no caso de estudos numéricos, estão usualmente associadas ao grande número de estados metaestáveis, que por sua vez é sensível ao modelo teórico considerado. Um outro aspecto determinante é a geometria dos colóides envolvidos. Nesta dissertação estudamos a influência de duas características muito importantes no processo de auto-organização em sistemas coloidais: i) o tipo de interação, que no presente trabalho consideramos ser do tipo dipolar magnética; ii) a forma dos colóides, que assumimos ser anisotrópica, ao contrário do que é usualmente considerado na literatura. Partículas magnéticas foram escolhidas por serem largamente utilizadas em diversas áreas, incluindo fluidos magnéticos e biomedicina. Neste trabalho utilizamos os métodos numéricos dinâmica molecular e Monte Carlo para obter as estruturas de mínima energia. Na primeira parte deste trabalho, estudamos as configurações de mínima energia de um sistema bidimensional binário de partículas magnéticas circulares confinadas em uma armadilha circular parabólica. Fixamos o valor do momento de dipolo magnético de um grupo de partículas, enquanto variamos esta grandeza no outro grupo. O sistema apresenta uma separação espacial entre os dois tipos de partículas, de modo que aquelas com maior momento de dipolo magnético localizam-se na parte mais externa do aglomerado, indicando que a parte repulsiva do potencial de interação se sobrepõe à parte atrativa. Aplicamos ainda um campo magnético uniforme paralelo ao plano de confinamento e estudamos as diversas estruturas em função da intensidade do campo magnético. Em alguns casos observamos um comportamento não-monotônico da magnetização (alinhamento) do sistema em função da intensidade do campo magnético. Na segunda parte deste trabalho, estudamos a auto-organização de um sistema bidimensional de partículas magnéticas com geometria anisotrópica na forma de hastes ou barras de variados tamanhos. Observamos que o aumento da fração de ocupação, em baixa temperatura, favorece o ordenamento do sistema. Em geral, observamos três fases, uma fase composta por aglomerados (clusters), uma fase desordenada e uma fase ordenada nemática. Por fim, estudamos a dependência das estruturas de equilíbrio em função da temperatura, através de uma função de correlação associada ao alinhamento global dos momentos magnéticos