title: Integrating molecular dynamics and micromagnetics for the investigation of nanoparticles in liquid carriers
Creators: name: Zehner, David
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Diese Arbeit stellt eine umfassende Untersuchung des dynamischen Verhaltens von magnetischen Nanopartikeln (MNP) in einer viskosen Flüssigkeit vor, wobei der Schwerpunkt auf deren Anwendung in der magnetischen Nanopartikel-Hyperthermie liegt. Die Untersuchung integriert mikromagnetische Simulationen mit Strömungsdynamik und entwickelt ein detailliertes Modell, das die Wechselwirkungen zwischen magnetischen Momenten, dem atomaren Kristallgitter und der umgebenden Flüssigkeit beschreibt. Um zukünftige Modellerweiterungen zu ermöglichen, werden die Simulationen durch die Integration des mikromagnetischen Frameworks magnum.np mit der etablierten Soft-Matter-Software ESPResSo durchgeführt. Ein wichtiges Ergebnis dieser Forschung ist die Ableitung eines selbstkonsistenten Systems von Bewegungsgleichungen für Multidomänen-Partikel in einem flüssigen Trägermedium, das durch Variationsrechnung ermittelt wurde. Die Studie verwendet die Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung sowie die Langevin-Gleichung, um die linearen und nichtlinearen dynamischen Reaktionen von MNPs unter verschiedenen Magnetfeldbedingungen zu untersuchen. Die Analyse zeigt, dass unter bestimmten Bedingungen die Fälle von verschwindender und unendlicher Anisotropie äquivalent sind. Diese Extremfälle werden gründlich analysiert und zeigen, dass das von Martsenyuk, Raikher und Shliomis vorgeschlagene effektive Feldmodell eine gute Approximation bietet. Darüber hinaus wird eine geschlossene Lösung für den athermischen Fall präsentiert, die an thermische Bedingungen anpassbar ist und das Auftreten von Suszeptibilitäten höherer Ordnung erklärt.
description: This thesis presents a comprehensive investigation into the dynamic behavior of magnetic nanoparticles suspended in a viscous fluid, with a particular focus on their medical application in magnetic nanoparticle hyperthermia. The study integrates micromagnetic simulations with fluid dynamics, resulting in a detailed model that captures the interactions between magnetic moments, their embedding atomic crystal lattice, and the surrounding fluid environment. To facilitate future model extensions, the simulations are conducted by integrating the micromagnetic simulation framework magnum.np with the established soft matter software ESPResSo. A notable accomplishment of this research is the derivation of a self-consistent set of equations of motion for multi-domain particles in a liquid carrier, obtained through variational calculus. The study employs the Landau-Lifshitz-Gilbert equation and the Langevin equation to elucidate the linear and nonlinear dynamic responses of MNPs in varying magnetic field conditions. The research demonstrates that under certain conditions, the cases of zero and infinite anisotropy are equivalent. These extreme cases are thoroughly examined, demonstrating that the effective field model proposed by Martsenyuk, Raikher, and Shliomis offers high accuracy. Additionally, the study presents a closed-form solution for the zero-temperature case, adaptable to thermal conditions, which is able to explain the emergence of higher-order susceptibilities.