Propriétés magnétiques avancées de ferrofluides auto-organisés – PROMAFAO

Le but du projet PROMAFAO est une rupture qualitative dans la compréhension des propriétés magnétiques et structurales de ferrofluides texturables. Les ferrofluides sont des suspensions colloïdales de nanoparticules magnétiques mono-domaines dispersées dans un liquide porteur (eau, huile). Les particules, de diamètre compris entre 5nm et 20nm, sont constituées d’un matériau ferro- ou ferrimagnétique (g-Fe2O3, MnFe2O4, CoFe2O4), chacune d’elles pouvant être considérée comme un dipole magnétique unique. Des ferrofluides stables sont produits depuis cinquante ans pour de nombreuses applications biomédicales (agent de contraste, hyperthermie magnétique), technologiques (haut-parleurs, amortisseurs) ou artistiques en raison de leurs instabilités de surface spectaculaires. Lorsque l’énergie d’interaction dipole-dipole entre particules est suffisamment grande, les particules s’auto-organisent pour former des chaînes ou des anneaux, et ceci en l’absence de champ magnétique externe. Par ailleurs, en appliquant un champ magnétique dont on fait varier l’amplitude et la direction, il est possible de moduler in situ la texturation des ferrofluides car les nanoparticules se structurent sous forme de chaines alignées dans la direction du champ magnétique. Cette texturation s’accompagne de la modification de propriétés macroscopiques comme la viscosité ou les propriétés optiques.
Des travaux récents ont mis en évidence l’importance de comprendre les mécanismes fondamentaux gouvernant cette structuration, afin d’optimiser l’efficacité de certaines applications biomédicales, de développer de nouveaux matériaux magnéto-optiques ou encore de comprendre l’origine de certaines transitions de phase dans les fluides dipolaires. Par ailleurs, en jouant sur la modulation des interactions dipolaires, la maîtrise de cette texturation permettrait d’élaborer de nouveaux ferrofluides aux propriétés structurales et magnétiques originales.
PROMAFAO s’intéresse à des ferrofluides de nano-ferrites pouvant être texturés par différentes stratégies : en agissant sur la particule individuelle (taille, composition ou forme, par la synthèse qui est déjà maîtrisée par l’équipe), par des effets de solvant ou en mélangeant deux types de particules aux propriétés magnétiques différentes (mélanges binaires de type aimant doux-aimant dur comme MnFe2O4-CoFe2O4). Ces ferrofluides binaires sont au cœur du projet car ils offrent un éventail d’interactions dipolaires magnétiques sans précédent, et les applications potentielles liées à leur texturation n’ont encore jamais été explorées. Les chainages de particules seront étudiés en présence et en l’absence de champ magnétique, en phase liquide et en gelant le solvant pour figer ces structures. Une approche interdisciplinaire combinant des techniques in situ magnétiques, microscopiques et spectroscopiques sera utilisée pour la première fois sur ces systèmes, afin d’en explorer les propriétés structurales et magnétiques, depuis les particules en interaction magnétique jusqu’à la particule individuelle.
Ce projet s’appuie sur nos résultats récents obtenus par cryo-microscopie électronique et grâce au développement d’une spectroscopie de cœur magnétique sur rayonnement synchrotron donnant accès à une information chimiquement sélective, ce qui représente une opportunité unique de mettre en évidence dans les ferrofluides binaires le rôle de chaque type de nanoparticules. PROMAFAO propose deux innovations techniques répondant à la nécessité de mesurer les échantillons de ferrofluides en préservant les interactions interparticulaires à l’origine de leur structuration, ce qui s’avère difficile dans les méthodes d’investigation habituelles. Des développements théoriques permettant l’interprétation fine des signatures spectrales magnétiques seront par ailleurs réalisés.
Nos résultats permettront de comprendre quantitativement comment l’organisation des nanoparticules gouverne les propriétés magnétiques dans les ferrofluides texturables.