Modélisation et simulation de l'auto-assemblage de nanoparticules sous champ magnétique externe.

Modelling and simulation of the self-assembly of nanoparticles under an external magnetic field.

• Auteur / Autrice : Nathalie Saouli
• Direction : Giancarlo Rizza, Hichem Dammak
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Solides Irradiés

Mots clés

Mots clés libres

Dynamique moléculaire

Auto-assemblage

Magnétostriction

Magnétite

Polymère magnéto-actif

Nanoparticule magnétique

Molecular dynamics

Self-assembly

Magnetostriction

Magnetite

Magnetoresponsive polymer

Magnetic nanoparticle

Résumé

Les nanoparticules magnétiques ont trouvé de nombreuses applications en matière de diagnostics, de délivrance de médicaments, d'actionneurs et de capteurs, suscitant un intérêt significatif pour la compréhension de leur comportement sous l'influence de champs magnétiques externes. Dans le cadre de ce projet, nous avons développé un modèle numérique exhaustif en utilisant la méthode de la dynamique moléculaire pour étudier deux cas d'auto-assemblage de particules magnétiques sous l'influence de champs magnétiques externes. Notre premier système implique des nanoparticules de magnétite positionnées sur un réseau cubique structuré, interagissant selon l'approximation dipolaire magnétique sous des conditions aux limites libres. Un potentiel de Van der Waals est introduit pour encourager l'agrégation des particules. Nos résultats numériques sont validés par microscopie à rayons X in situ, permettant d'observer le comportement dynamique en phase liquide des agrégats de magnétite lors de l'application d'un champ magnétique. Nous montrons qu'un amas de nanoparticules se déforme et s'allonge dans la même direction que le champ appliqué. De plus, nous identifions des champs critiques auxquels le système subit des transitions magnétiques non linéaires, entraînant une réorganisation locale des particules. Ensuite, nous nous penchons sur l'étude d'un système magnéto-actif composé d'une matrice polymère de silicone incorporée de particules de fer, où nous examinons sa déformation sous l'influence d'un champ magnétique. Ici, la matrice est représentée par un réseau cubique de nœuds, interagissant suivant un potentiel élastique, et partiellement occupés par des particules magnétiques. Les résultats numériques sont en accord qualitatif avec les expériences. Le système présente une expansion dans la même direction que le champ et une compression dans les deux autres directions.

Magnetic nanoparticles have found a wide range of applications in diagnostics, drug delivery, actuators, and sensors, sparking significant interest in understanding their behaviour under external magnetic fields. In this project, we have developed a comprehensive numerical model using the molecular dynamics method to investigate two cases of the self-assembly of magnetic particles under external magnetic fields. Our first system involves magnetite nanoparticles positioned on a structured cubic lattice, interacting within the magnetic dipole-dipole approximation under free boundary conditions. A Van der Waals potential is introduced to promote particle aggregation. Our numerical results are validated through in situ X-ray microscopy, enabling the observation of the dynamic behaviour, in liquid phase, of magnetite aggregates upon the application of a magnetic field. We show that a cluster of nanoparticles deforms and elongates in the same direction as the applied field. Furthermore, we identify critical fields at which the system undergoes non-linear magnetic transitions, resulting in a local rearrangement of the particles. Subsequently, we delve into the study of a magnetoresponsive system consisting of a silicone polymer matrix embedded with iron particles, where we examine its deformation when subjected to an applied magnetic field. Here, the matrix is represented by a cubic network of nodes interacting through an elastic potential and partially occupied by magnetic particles. The numerical results are in qualitative agreement with the experiments. The system exhibits expansion in the same direction as the field and contraction in the other two directions.