Dynamics of anisotropic magnetic fluids
A study of barium hexaferrite nanoplatelet suspensions
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Beschreibung
Die Untersuchungen in dieser Arbeit fokussieren sich auf ein Partikelsystem bestehend aus ferrimagnetischen Bariumhexaferrit (BaHF) Nanoplättchen, welche in 1-Butanol suspendiert sind. Dieses System kann im feldfreien Zustand und bei hohen Volumenanteilen der Partikel eine nematische Phase entwickeln, welche durch ein komplexes Gleichgewicht von anziehenden und abstoßenden Wechselwirkungen stabilisiert wird. In der nematischen Phase ist die molekulare Ordnung an die magnetischen Ordnung gekoppelt, da das magnetische Moment in der basalen Ebene der Plättchen fixiert ist. Dies ermöglicht die Realisierung eines ferromagnetischen nematischen Materials - eines echten flüssigen Magneten.
Aufgrund der magnetischen Natur der Partikel ist die Untersuchung mit magnetischen Charakterisierungstechniken möglich. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Wechselfeldsuszeptometrie (eng. alternating current susceptometry, ACS), bei welcher das dynamische magnetische Suszeptibilitätsspektrum gemessen wird. In diesem Spektrum wird die magnetische Reaktion der Partikel auf ein oszillierendes Magnetfeld erfasst. Dadurch ist es möglich, konzentrationsabhängige und vielfältige Effekte zu untersuchen, welche von der Relaxation einzelner Partikel über den Beginn magnetischer Wechselwirkungen bei erhöhten Partikelkonzentrationen bis hin zur Selbstorganisation von Partikeln reichen. Letzteres kann dabei sowohl durch erhöhte anziehende Wechselwirkungen als auch durch verringerte abstoßende Wechselwirkungen ausgelöst werden. Das fixierte magnetische Moment führt zur Dominanz des Brownschen Relaxationsmechanismus und ermöglicht die Bestimmung der feldabhängigen Brownschen Relaxationszeiten. Die Anwendung theoretischer Modelle für verschiedene Feldkonfigurationen und die Einbeziehung oder Vernachlässigung der magnetischen Dipolwechselwirkungen liefert die magnetischen Eigenschaften der Partikel, wie das magnetische Moment und den Wechselwirkungsparameter. Darüber hinaus werden die Rotationsdiffusionseigenschaften diskutiert, welche stark von der Form der Partikel und ihrer Polydispersität beeinflusst werden.
Eine weitere mögliche Charakterisierungstechnik ist die magnetische Anregung der Partikel und die anschließende Messung der optischen Eigenschaften der Proben mittels der Polarisationsmikroskopie (eng. polarized optical microscopy, POM). Im Rahmen dieser Arbeit wurde zu diesem Zweck ein magneto-optischer Messaufbau entwickelt. Das System kombiniert ein dreiachsiges Spulensystem und die entsprechenden Stromquellen mit einem modularen Aufbau eines Polarisationsmikroskops. Es bietet verschiedene Messmodi, welche von der Erzeugung rotierender und oszillierender Magnetfelder mit überlagerten DC-Offset-Feldern bis hin zur Messung der Sprungantwort der Probe und der Kompensation von statischen Magnetfeldern in der Umgebung reichen. Die optische Antwort kann durch rotierende Polarisatoren charakterisiert werden, und die transmittierte Intensität kann entweder durch Photodioden oder durch die Kombination eines „long-distance“ Mikroskops und einer Kamera ausgewertet werden. Die Möglichkeiten des Systems wurden an dem hochatuellen Beispiel der Bildung von streifenförmigen Mustern in Suspensionen von Bariumhexaferrit Nanoplättchen in 1-Butanol demonstriert.
Autor*in
Melvin Küster
Themen in »Dynamics of anisotropic magnetic fluids«
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