Structural and Magnetic Properties of Ferrofluids Composed of Self-Assembled Cobalt Ferrite Nanoflowers: A Multiscale Investigation

Colloidal solutions of magnetic nanoparticles (ferro-fluids) exhibit intriguing macroscopic properties that find their origin in the magnetic dipole interparticle interactions taking place on the nanoscale. Here, we study experimentally the structuration and magnetic properties of a ferrofluid composed of 25 nm CoFe2O4 nanoflowers, which show different types of nanoparticle assemblies with and without an external magnetic field. A combination of advanced magnetometry (first-order reversal curve measurements combined with simulations), transmission electron microscopy (high-resolution and cryogenic transmission electron microscopy, electron tomography, and electron holography), and small-angle X-ray scattering techniques was used to build a comprehensive picture from the nanoscale to the macroscale of this ferrofluid, from the collective behavior down to the particle level. Our results provide an original, extensive set of experimental quantitative data and make a connection between the nanoscale organization and collective magnetic properties. Our findings also highlight the competition between the magnetic anisotropy of CoFe2O4 nanoflowers and magnetic dipole interactions.

Domaines

Physique [physics] Matière Condensée [cond-mat]

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Résumé	en Colloidal solutions of magnetic nanoparticles (ferro-fluids) exhibit intriguing macroscopic properties that find their origin in the magnetic dipole interparticle interactions taking place on the nanoscale. Here, we study experimentally the structuration and magnetic properties of a ferrofluid composed of 25 nm CoFe2O4 nanoflowers, which show different types of nanoparticle assemblies with and without an external magnetic field. A combination of advanced magnetometry (first-order reversal curve measurements combined with simulations), transmission electron microscopy (high-resolution and cryogenic transmission electron microscopy, electron tomography, and electron holography), and small-angle X-ray scattering techniques was used to build a comprehensive picture from the nanoscale to the macroscale of this ferrofluid, from the collective behavior down to the particle level. Our results provide an original, extensive set of experimental quantitative data and make a connection between the nanoscale organization and collective magnetic properties. Our findings also highlight the competition between the magnetic anisotropy of CoFe2O4 nanoflowers and magnetic dipole interactions.
Titre	en Structural and Magnetic Properties of Ferrofluids Composed of Self-Assembled Cobalt Ferrite Nanoflowers: A Multiscale Investigation
Auteur(s)	Malika Khelfallah ¹ , Claire Carvallo ¹ , Vincent Dupuis ² , Sophie Neveu ³ , Dario Taverna ¹ , Yohan Guyodo ⁴ , Jean-Michel Guigner ⁵ , Enzo Bertuit ^{2, 6} , Laurent Michot ² , Walid Baaziz ⁷ , Ovidiu Ersen ⁷ , Ingrid Marie Andersen ⁸ , Etienne Snoeck ⁸ , Christophe Gatel ⁸ , Amélie Juhin ¹ 1 IMPMC_MIMABADI - Minéralogie et magnétisme de basses dimensionnalités [IMPMC] ( 1084817 ) - 4, place Jussieu - Tour 23 - Barre 22-23, 4e étage - 75252 Paris Cedex 5 - France Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie ( 542059 ) ; Muséum national d'Histoire naturelle ( 7512 ) ; Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR206 ( 303330 ) ; Sorbonne Université ( 413221 ) ; Centre National de la Recherche Scientifique UMR7590 ( 441569 ) 2 PHENIX - PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX ( 542075 ) - Sorbonne Université, Case Courrier 51 4 place Jussieu -- 72522 Paris Cedex 5, FRANCE - France Institut de Chimie - CNRS Chimie ( 341038 ) ; Sorbonne Université ( 413221 ) ; Centre National de la Recherche Scientifique UMR8234 ( 441569 ) 3 PHENIX - PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX ( 247182 ) - Université Pierre et Marie Curie, Case Courrier 51 4 place Jussieu -- 72522 Paris Cedex 5, FRANCE - France Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 ( 93591 ) ; Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris ( 301585 ) ; Université Paris Sciences et Lettres ( 564132 ) ; Institut de Chimie - CNRS Chimie ( 341038 ) ; Centre National de la Recherche Scientifique UMR8234 ( 441569 ) 4 IPGP (UMR_7154) - Institut de Physique du Globe de Paris ( 1005035 ) - 1 rue Jussieu, 75238 Paris cedex 05 et Bât. Lamarck A case postale 7011, 75205 Paris CEDEX 13 - France Institut national des sciences de l'Univers UMR_7154 ( 300045 ) ; Université de La Réunion UMR_7154 ( 300316 ) ; Institut de Physique du Globe de Paris UMR_7154 ( 300354 ) ; Centre National de la Recherche Scientifique UMR_7154 ( 441569 ) ; Université Paris Cité UMR_7154 ( 557826 ) 5 IMPMC_COSMO - Cosmochimie [IMPMC] ( 1085146 ) - 4, place Jussieu - BC 115 - 75252 Paris Cedex 5 - France Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie ( 542059 ) ; Muséum national d'Histoire naturelle ( 7512 ) ; Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR206 ( 303330 ) ; Sorbonne Université ( 413221 ) ; Centre National de la Recherche Scientifique UMR7590 ( 441569 ) 6 IMPMC_MINENV - Minéralogie Environnementale [IMPMC] ( 579840 ) - 4, place Jussieu - BC 115 - 75252 Paris Cedex 5 - France Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie ( 542059 ) ; Muséum national d'Histoire naturelle ( 7512 ) ; Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR206 ( 303330 ) ; Sorbonne Université ( 413221 ) ; Centre National de la Recherche Scientifique UMR7590 ( 441569 ) 7 IPCMS - Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg ( 93794 ) - 23 rue du Loess - BP 43 - 67034 Strasbourg Cedex 2 - France - France Université de Strasbourg ( 199013 ) ; Centre National de la Recherche Scientifique UMR7504 ( 441569 ) ; Matériaux et Nanosciences Grand-Est ( 529627 ) ; Université de Strasbourg FR3627 ( 199013 ) ; Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar ( 237692 ) ; Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( 303623 ) ; Institut de Chimie - CNRS Chimie ( 341038 ) ; Centre National de la Recherche Scientifique FR3627 ( 441569 ) ; Réseau nanophotonique et optique ( 529628 ) ; Université de Strasbourg FR3678 ( 199013 ) ; Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar ( 237692 ) ; Centre National de la Recherche Scientifique ( 441569 ) 8 CEMES-I3EM - Interférométrie, In situ et Instrumentation pour la Microscopie Electronique ( 519177 ) - CEMES 29 rue Jeanne Marvig, BP 94347, F-31055 Toulouse Cedex 4 - France Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales ( 460 ) ; Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse ( 116255 ) ; Institut National des Sciences Appliquées ( 301232 ) ; Université de Toulouse ( 443875 ) ; Institut de Chimie de Toulouse ( 159253 ) ; Institut de Recherche pour le Développement ( 67872 ) ; Université Toulouse III - Paul Sabatier ( 217752 ) ; Université de Toulouse ( 443875 ) ; Institut de Chimie - CNRS Chimie ( 341038 ) ; Centre National de la Recherche Scientifique UAR2599 / FR2599 ( 441569 ) ; Institut National Polytechnique (Toulouse) ( 448187 ) ; Université de Toulouse ( 443875 ) Université Toulouse III - Paul Sabatier ( 217752 ) ; Université de Toulouse ( 443875 ) ; Centre National de la Recherche Scientifique UPR8011 ( 441569 )
Langue du document	Anglais
Nom de la revue	J Phys Chem C - Journal of Physical Chemistry C (ISSN : 1932-7447, ISSN électronique : 1932-7455) American Chemical Society Publié par American Chemical Society https://pubs.acs.org/journal/jpccck
Date de publication	2024-07-29
Volume	128
Numéro	31
Page/Identifiant	13162 - 13176
Vulgarisation	Non
Comité de lecture	Oui
Audience	Internationale
Domaine(s)	Physique [physics] Physique [physics]/Matière Condensée [cond-mat]
Infrastructure de recherche	Microscopie Électronique en Transmission et Sonde Atomique - METSA
DOI	10.1021/acs.jpcc.4c00790

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Avant la publication

Fin d'embargo le mercredi 29 janvier 2025

Amélie JUHIN : Connectez-vous pour contacter le contributeur

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Soumis le : lundi 4 novembre 2024 à 13:16:20

Dernière modification le : mercredi 6 novembre 2024 à 03:28:42

Dates et versions

hal-04672318, version 1 (04-11-2024)

Identifiants

HAL Id : hal-04672318 , version 1
DOI : 10.1021/acs.jpcc.4c00790

Citer

Malika Khelfallah, Claire Carvallo, Vincent Dupuis, Sophie Neveu, Dario Taverna, et al.. Structural and Magnetic Properties of Ferrofluids Composed of Self-Assembled Cobalt Ferrite Nanoflowers: A Multiscale Investigation. Journal of Physical Chemistry C, 2024, 128 (31), pp.13162 - 13176. ⟨10.1021/acs.jpcc.4c00790⟩. ⟨hal-04672318⟩

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