title: Microstructure and magnetic response of colloidal magnetic platelets
Creators: name: Rosenberg, Margaret
Publisher: name: :none
Year: 2023

description: Das Fachgebiet der magnetischen weichen Materie wird sowohl durch die selbst-verstärkende Vielfalt an Substanzen, als auch durch die Vielzahl an gewünschten Anwendungsbereichen vor- angetrieben. Das Teilgebiet der magnetischen weichen Materie, zum Beispiel, ist von einfachen kolloidalen Suspensionen von sphärischen, magnetischen Eisenoxid-Teilchen in der Größenord- nung von Mikrometeren bis hin zum Beinhalten von mannigfaltigen Materialien, Größen, Formen und Trägermedien herangewachsen. Dieser Fortschritt wurde sowohl durch anregende theoreti- sche Vorhersagen, experimentelle Fortschritte in der Synthese, und neue Ideen für Anwendungen in der Biomedizin und industriellen Maschinen gefördert. Dennoch wurden gewisse kanonische Einschränkungen bis vor Kurzem eingehalten- beispielsweise, dass Ferrofluide trotz ihres Namens nicht ferromagnetisch, sondern para- oder superparamagnetisch sind. Aus theoretischen Modellen ging hervor, dass um diese Schranke zu durchbrechen, Ideen aus einem anderen Teilgebiet der weichen Materie, den Flüssigkristallen, notwendig seien. Durch die Kombination der Asymmetrie der Teilchenform und der Anisotropie der magnetischen Interaktionen könnte so ein neuer Bereich der regelbaren kolloidalen Suspensionseigenschaften erschlossen werden. Diese Hypothese wurde neulich experimentell bestätigt, durch die Verwendung von diskoti- schen magnetischen Nanoteilchen mit einem im rechten Winkel zur Oberfläche orientiertem Dipol- moment, womit eine spontane, bei Zimmertemperatur stabile makroskopische ferromagnetische Phase entstand. Abgesehen davon, dass diese Eigenschaft an sich bereits Interesse erweckt, wurde bereits für andere anisometrische oder anisotropische Teilchen nachgewiesen, dass die Selbstor- ganization, die magnetische Feldreaktion, und das thermodynamische und Phasenverhalten der kolloidalen Suspension durch Änderung der Teilchenform angepasst werden kann. Um die zugrundeliegenden Mechanismen hinter diesen Beobachtungen zu Verstehen, und um zukünftige experimentelle Entwicklungen zu lenken, verwenden wir Molekulardynamik Si- mulationen, um die mikroskopischen Eigenschaften und das daraus entstehende makroskopische Verhalten solcher Suspensionen zu Beschreiben. Wo möglich, arbeiteten wir mit experimentellen Forschungsgruppen zusammen, um die Anwendbarkeit zu sichern. In den Fällen wo die Ergebnisse sich nicht durch die üblichen Ansätze erklären ließen, nutzten wir analytische Theorie, um die Ef- fekte besser zu verstehen. Begonnen mit einem detaillieren, auf dem Experiment basierten Modell, klären wir die Rolle der Polydispersität der magnetischen Plättchen in der isotropischen Phase und erläutern ihren Beitrag zu der verstärkten Reaktion der Suspension auf schwache Magnetfelder. Darauf zeigen wir, dass sogar in vereinfachten Systemen von wenig anisometrischen, monodisper- sen magnetischen Nanoteilchen die Form die Mikrostruktur, vor allem die Selbstorganization der Teilchen, stark beeinflusst. Diese Mikrostruktur führt dann zu einer Veränderung der statischen magnetischen Susceptibilität, welche wir sowohl durch neue als auch durch Modifikationen beste- hender Theorie beschreiben. Um die Reaktion auf das magnetische Feld vollständig zu Beschreiben, erklären wir den Mechanismus hinter der experimentell beobachteten Abstand in den Maxima der dynamischen magnetischen Susceptibilität, und zeigen die Reaktion auf ein zusätzliches Biasfeld. Inspiriert von ähnlichen experimentellen Studien, untersuchen wir auch das ‘’demixing” Verhalten von binären magnetischen Plättchen-Mischungen und die Effekte von anisometrischen neutralen Teilchen (depletants). Um zukünftige Forschung zu erleichtern, beenden wir das Projekt durch eine kurze Untersuchung von fortgeschrittenen Optionen in den dipolaren, elektrostatischen und Domänen ähnlichen Modellierungsoptionen. Zusammenfassend präsentiert diese Dissertation die Effekte von kombinierter Anisotropie und Anisometrie von kolloidalen magnetischen Nanoplättchen- Suspensionen auf die Eigenschaften des magnetischen Fluides, vor allem aus der Perspektive von Selbstorganization und magnetischer Feldreaktion. Dieses fundamentale Verständnis von dem System eröffnet neue Perspektiven auf die Nutzung von Form-Anisotropy als Schlüsselparameter um die Eigenschaften magnetischer weicher Materie anzupassen.
description: The field of Soft Matter is driven by the self-reinforcing diversity of both the substances under its purview, and the desired applications thereof. The subfield of Magnetic Soft Matter, for instance, has grown from simple colloidal suspensions of spherical magnetic iron oxide micron-scale particles to incorporate varying materials, sizes, shapes and carrier media. This progress was spurred on by compelling theoretical predictions, experimental advancements in synthesis, and new ideas for applications in biomedicine and industrial devices. However, certain canonical constraints were, until very recently, maintained - such as that ferrofluids, despite their name, are merely para- or superparamagnetic. To break this barrier, theoretical models indicated that incorporating ideas from another subfield, that of Liquid Crystals, would be necessary. By combining the asymmetry of particle shape and the anisotropy of magnetic interactions, a new regime of tunable suspension behavior would be unlocked. This conjecture was recently validated in experiment, by the use of discotic magnetic nanopar- ticles with an out-of-plane dipole moment to create a spontaneous room temperature stable macro- scopic ferromagnetic phase. While this property alone would be cause for interest, it has already been shown for other anisometric or anisotropic particles that the self-assembly, magnetic response, thermodynamic and phase behavior of suspensions can be tuned by altering the particle shape. To understand the underlying mechanisms behind these observations and to guide future ex- perimental developments, we use Molecular Dynamics simulations to explore the microscopic properties and ensuing macroscopic behavior of such suspensions. Whenever possible, we col- laborate closely with experimental groups to ensure applicability. In cases where the outcome defies explanation using standard approaches, we use analytical theory to further understand the effects at play. Starting from a detailed, experiment-based model, we clarify the role of magnetic platelet polydispersity in the isotropic phase, and its contribution to the suspension’s increased response to low magnetic fields. We then show that even in simplified systems of low anisom- etry, monodisperse, magnetic nanoplatelets, the shape drastically alters the microstructure, in particular the self-assembly, of the particles. This microstructure, in turn, elicits an altered static magnetic susceptibility, which we describe using a combination of new and adapted theory. To fully characterize the field response, we explain the mechanisms behind an experimentally observed gap in the peaks of the dynamic magnetic susceptibility, and show the response to an additional bias field. Inspired by similar experimental studies, we also investigate the demixing behavior of binary platelet mixtures and the effects of anisometric depletants. To facilitate future studies, we conclude the project by briefly exploring more advanced options in the dipolar, electrostatic, and domain-related modelling choices. In summary, this thesis presents the effects of the combined ansiotropy and anisometry of colloidal magnetic nanoplatelet suspensions on the overall magnetic fluid properties, primarily through the lens of self-assembly and magnetic response. This fundamental understanding of the system opens up new perspectives in the use of shape anisotropy as a key parameter to tailor properties of Magnetic Soft Matter.