Magnetic Nanoparticles : From Synthesis Concepts to Biomimetics, Dynamic Self-Assemblies and Collective Phenomena
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2013-03-26
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
60 + app. 118
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 51/2013
Abstract
Magnetic nanoparticles exhibit size-dependent magnetic properties that make them promising building blocks for advanced materials and devices. This thesis covers several aspects of magnetic nanoparticles, ranging from their synthesis to applications. In Publications I and II, nucleation and growth of monodisperse cobalt nanoparticles in a widely used hot-injection method were investigated. In contrast to the prior understanding, the nucleation was shown to be delayed and kinetically controlled, which was applied to designing more robust heating-up methods without sacrificing the particle uniformity. A facile test tube synthesis method was introduced for rapid screening of different reaction conditions that would otherwise be expensive and laborsome. In Publications III and IV, magnetic nanoparticles were utilized in the contexts of biocomposites and biomimetics. Magnetically active organic-inorganic biofibers were produced by synthesizing cobalt ferrite nanoparticles onto biofibers of native cellulose nanofibrils. A template-free method for creating biomimetic magnetic cilia was demonstrated through magnetically guided self-assembly of micron-sized cobalt particles with elastomeric polymers. The cilia were applied to mixing of liquids by actuation via an external magnetic field. In Publications V and VI, iron oxide nanoparticles were used as force mediators to drive water droplets on superhydrophobic surfaces. Individual droplets placed in a confining magnetic field were shown to oscillate with decreasing amplitude, from which the dissipative forces were determined as a function of normal force. Concentrated magnetic droplets were unstable in a perpendicular magnetic field, leading to droplet splitting and self-assembly into complex patterns. A controlled transition from equilibrium self-assembly to dissipative self-organization was observed under dynamic magnetic field. In Publication VII, microwave dynamics of dipolarly coupled single-domain magnetic nanoparticles interacting in the near-field regime were studied analytically and numerically. The uniform Kittel mode was shown to be replaced by quasi-uniform collective modes. The resonant frequency and width were determined to be dependent on the way the nanoparticles were assembled with respect to each other. The results of this thesis contribute to the understanding of the physics and chemistry of magnetic nanoparticles. The presented concepts pave way towards modern applications, such as robust magnetic microfluidic mixers, surface analysis methods, programmable microdroplet chemistry and tunable microwave materials.Magneettiset nanohiukkaset ja niiden kokoon liittyvät ominaisuudet mahdollistavat uudentyyppisiä materiaaleja ja laitteita. Tämä väitöskirja käsittelee magneettisia nanohiukkasia monesta eri näkökulmasta - alkaen aina valmistuksesta sovelluksiin saakka. Julkaisuissa I ja II tutkittiin monodisperssien kobolttinanohiukkasten ydintymistä ja kasvua nestemäisessä väliaineessa. Toisin kuin tähän asti oli oletettu, ydintyminen oli viivästynyttä ja kineettisesti hallittavissa, mikä mahdollisti aiempaa suoraviivaisemman synteesin ilman kokojakauman kasvua. Lisäksi monodispersseille nanohiukkasille esiteltiin yksinkertainen, kertakäyttöisiä koeputkia hyödyntävä valmistusmenetelmä, mikä mahdollisti optimaalisten reaktio-olosuhteiden vaivattoman kartoituksen. Julkaisuissa III ja IV magneettisia nanohiukkasia sovellettiin biokomposiittimateriaaleihin ja biologisia toimintoja jäljitteleviin systeemeihin. Magneettisesti aktiivisia komposiitteja tuotettiin syntetisoimalla kobolttiferriittinanohiukkasia nanoselluloosasta valmistetuille biokuiduille. Biologisia värekarvoja jäljitteleviä rakenteita valmistettiin mikrometrin kokoisista kobolttihiukkasista ja elastomeereistä itsejärjestymisen avulla. Näitä magneettikentällä ohjattavia värekarvoja sovellettiin nesteiden sekoittamiseen. Julkaisuissa V ja VI magneettisia rautaoksidinanohiukkasia käytettiin välittämään ulkoisia magneettisia voimia vesipisaroihin superhydrofobisilla pinnoilla. Magneettisessa potentiaalikuopassa värähtelemään saatettujen pisaroiden liikkeen vaimenemisesta voitiin määrittää pisaraan vaikuttavat häviövoimat. Toisaalta konsentroidut, voimakkaasti magneettiset pisarat olivat epästabiileja magneettikentässä, mikä johti pisaroiden halkeamiseen pienemmiksi pisaroiksi, jotka itsejärjestyivät monimutkikkaiksi kuvioiksi. Hallittu muutos staattisesta itsejärjestymisestä dynaamiseen itseorganisoitumiseen havaittiin asettamalla systeemi värähtelevään ulkoiseen magneettikenttään. Julkaisussa VII tutkittiin keskenään vuorovaikuttavien magneettisten nanohiukkasten mikroaaltovastetta analyyttisesti ja laskennallisesti. Havaittiin että Kittelin moodi muuttui näennäisen homogeenisiksi kollektiivisiksi moodeiksi vuorovaikutusten takia ja että ferromagneettisen resonanssin taajuus ja kaistanleveys riippuivat hiukkasten järjestymisestä. Tämän väitöskirjan tulokset edistävät magneettisten nanohiukkasten kemian ja fysiikan ymmärrystä. Esilletuodut lähestymistavat viitoittavat tietä kohti uusia sovelluksia kuten mikrofluidisia sekoittimia, pintojen analyysitekniikoita, ohjelmoitavaa pisarakemiaa ja magneettisia mikroaaltomateriaaleja.Description
Julkaistu vain painettuna, saatavuus katso Bibid. Published only in printed form, availability see Bibid
Supervising professor
Ikkala, Olli, Acad. Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Ikkala, Olli, Acad. Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandRas, Robin, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Other note
Parts
-
[Publication 1]: J. V. I. Timonen, E. T. Seppälä, O. Ikkala, and R. H. A. Ras, From Hot-Injection Synthesis to Heating-Up Synthesis of Cobalt Nanoparticles:Observation of Kinetically Controllable Nucleation, Angewandte ChemieInternational Edition, 50, 2080-2084, February 2011.
DOI: 10.1002/anie.201005600 View at publisher
- [Publication 2]: J. V. I. Timonen, T. Gombault, J. van Rijssel, and B. Erné, Synthesis of Monodisperse Cobalt Nanoparticles in Single-Use Test Tubes for Self-Assembly into Magnetically Aligned Binary Superlattices, submitted (21pages)
-
[Publication 3]: A. Walther, J. V. I. Timonen, I. Díez, A. Laukkanen, and O. Ikkala, Multifunctional High-Performance Biofibers Based on Wet-Extrusion of Renewable Native Cellulose Nanofibrils, Advanced Materials, 23, 2924-2928, July 2011.
DOI: 10.1002/adma.201100580 View at publisher
-
[Publication 4]: J. V. I. Timonen, C. Johans, K. Kontturi, A. Walther, O. Ikkala, and R. H.A. Ras, A Facile Template-Free Approach to Magnetodriven, Multifunctional Artificial Cilia, ACS Applied Materials & Interfaces, 2, 2226-2230, August 2010.
DOI: 10.1021/am100244x View at publisher
-
[Publication 5]: J. V. I. Timonen, M. Latikka, O. Ikkala, and R. H. A. Ras, Free Decay and Resonant Methods for Investigating the Fundamental Limit of Superhydrophobicity, submitted (24 pages).
DOI: 10.1038/ncomms3398 View at publisher
-
[Publication 6]: J. V. I. Timonen, M. Latikka, L. Leibler, O. Ikkala, and R. H. A. Ras, Switchable Static and Dynamic Self-Assembly of Magnetic Droplets on Superhydrophobic Surfaces, submitted (20 pages).
DOI: 10.1126/science.1233775 View at publisher
- [Publication 7]: J. V. I. Timonen, Collective Ferromagnetic Resonance in Single-Domain Magnetic Nanoparticles with Near-Field Dipolar Coupling, submitted (15 pages)