Propriétés magnétiques de ferrofluides de nano-aimants auto-assemblés

Magnetic properties of ferrofluids of self-assembled nano-magnets

• Auteur / Autrice : Malika Khelfallah
• Direction : Amélie Juhin, Claire Carvallo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 08/11/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Vidal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rafal Dunin-Borkowski, Sofia Kantorovich
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Odile Stéphan, Olivier Sandre
• DOI : 10.70675/95e324d7za84bz4d4czb816zdc768460ff8a

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluides magnétiques

Propriétés magnétiques

Nanoparticules magnétiques

Mots clés libres

Magnétisme

Nanoparticules

Ferrofluides

Magnetism

Nanoparticles

Ferrofluids

Résumé

Cette thèse a pour objectif principal d'explorer les effets de l’assemblage créé par les interactions magnétiques dipolaires entre des nanoparticules magnétiques en suspension colloïdales dans un liquide (ferrofluide) sur les propriétés magnétiques de ce ferrofluide. Ce travail se base sur la caractérisation approfondie de ferrofluides constitués de nanoparticules en forme de fleurs composées de matériaux magnétiques durs tels que la ferrite de cobalt (CoFe2O4), ou de matériaux magnétiques mous comme la ferrite de manganèse (MnFe2O4) et la maghémite (γ-Fe2O3). Les propriétés magnétiques de ces ferrofluides ont été mesurées à l'aide de magnétométrie classique, mettant en évidence l'influence significative de la composition chimique des nanoparticules sur les caractéristiques macroscopiques du ferrofluide. De plus, je me suis intéressée à la structuration des nanoparticules dans le ferrofluide liquide, en observant des particules isolées ainsi que la formation d'assemblages et d'agrégats, grâce à une méthode de Microscopie Electronique en Transmission cryogénique, avec un protocole développé spécifiquement pendant la thèse. L'impact de la morphologie des nanoparticules sur leurs propriétés magnétiques a été exploré grâce à la tomographie, imagerie en trois dimensions des nanoparticules, en collaboration avec le laboratoire IPCMS de Strasbourg. À l'échelle nanométrique, les propriétés magnétiques des assemblages ont été mesurées au moyen de l'holographie électronique, en collaboration avec le laboratoire CEMES de Toulouse. L'introduction des ferrofluides binaires, définis comme des mélanges de ferrofluides composés de nanoparticules de matériaux magnétiques durs et mous, a permis d'explorer de nouvelles interactions magnétiques dipolaires. Ces matériaux permettent de créer des ferrofluides aux propriétés nouvelles pouvant présenter un intérêt pour des applications biomédicales. Ces ferrofluides binaires ont révélé des propriétés magnétiques globales originales qui diffèrent de la simple addition des propriétés individuelles des ferrofluides originels. En outre, l'organisation des nanoparticules dans le ferrofluide binaire a été minutieusement étudiée en utilisant la spectroscopie chimiquement sélective et résolue spatialement par microscopie à rayons X en transmission sur la ligne HERMES du synchrotron SOLEIL, permettant d'obtenir des cartographies chimiques d’assemblages de nanoparticules de CoFe2O4 et de MnFe2O4. La séparation des contributions magnétiques des deux types de nanoparticules composant le ferrofluide binaire a été réalisée à l'aide d’une technique de magnétométrie appelée diagramme de FORC (First Order Reversal Curve), en collaboration avec le laboratoire IPGP. Les diagrammes de FORC ont permis d’identifier et d’évaluer l’influence des nanoparticules de CoFe2O4 sur le comportement magnétique des nanoparticules de MnFe2O4 dans le ferrofluide binaire. De plus, des mesures de courbes d’aimantation chimiquement sélective par spectroscopie ont été réalisées grâce à une cellule liquide permettant une mesure in-situ des ferrofluides, avec des expériences menées sur la ligne GALAXIES du synchrotron SOLEIL. Enfin, une comparaison des propriétés magnétiques de différents ferrofluides binaires a été entreprise, en variant le ratio entre matériau magnétique dur et mou, la composition du matériau mou ainsi que la taille des nanoparticules, offrant ainsi une perspective complète sur les possibilités de conception et d'optimisation de ces matériaux magnétiques avancés. Cette thèse établit une relation significative entre la structuration des nanoparticules dans le ferrofluide et leurs propriétés magnétiques.

The main objective of this thesis is to explore the effects of the assembly caused by dipolar magnetic interactions between magnetic nanoparticles suspended in a liquid (so-called ferrofluid) on the magnetic properties of this ferrofluid. It is based on the in-depth characterization of ferrofluids made up of flower-shaped nanoparticles composed of hard magnetic materials such as cobalt ferrite (CoFe2O4), or soft magnetic materials such as manganese ferrite (MnFe2O4) and maghemite (γ- Fe2O3). The magnetic properties of these ferrofluids were measured using standard magnetometry methods, highlighting the significant influence of the chemical composition of the nanoparticles on the macroscopic characteristics of the ferrofluid. In addition, this research focused on the structuring of nanoparticles in liquid ferrofluid, by observing isolated particles, as well as the formation of assemblies and aggregates, using a cryogenic Transmission Electron Microscopy method, with a protocol developed specifically during the thesis. The impact of nanoparticle morphology on their magnetic properties was explored using tomography, three-dimensional imaging of nanoparticles, in collaboration with the IPCMS laboratory in Strasbourg. At the nanoscale, the magnetic properties of the assemblies were measured using electron holography, in collaboration with the CEMES laboratory in Toulouse. The study of binary ferrofluids, defined as ferrofluid mixtures composed of nanoparticles of hard and soft magnetic materials, has enabled new dipolar magnetic interactions to be explored. These new materials allow creating ferrofluids with novel properties that may be of interest for biomedical applications. These binary ferrofluids have revealed original bulk magnetic properties that differ from the simple addition of the individual properties of the original ferrofluids. In addition, the organization of nanoparticles in the binary ferrofluid has been meticulously studied using chemically selective and spatially resolved transmission X-ray microscopy on the HERMES beamline at the SOLEIL synchrotron, yielding chemical mappings of CoFe2O4 and MnFe2O4 nanoparticle assemblies. The separation of the magnetic contributions of the two types of nanoparticles composing the binary ferrofluid was achieved using a magnetometry technique known as the FORC (First Order Reversal Curve) diagram, in collaboration with the IPGP laboratory. FORC diagrams were used to assess the influence of CoFe2O4 nanoparticles on the magnetic behavior of MnFe2O4 nanoparticles in the binary ferrofluid. In addition, spectroscopic measurements of chemically selective magnetization curves were carried out using a liquid cell for in-situ ferrofluid measurements, with experiments carried out on the GALAXIES beamline at the SOLEIL synchrotron. Finally, a comparison of the magnetic properties of different binary ferrofluids was undertaken, by varying the ratio between hard and soft magnetic components, the composition of the soft material as well as the size of the nanoparticles, thus providing a comprehensive perspective on the design and optimization possibilities of these advanced magnetic materials. This thesis establishes a significant relationship between the structuring of nanoparticles in ferrofluid and their magnetic properties.