Nesta tese apresentamos um estudo do comportamento magnético de sistemas de nanopartículas por meio de medidas experimentais e simulações Monte Carlo. Estudamos o papel das interações entre partículas experimentalmente a baixas temperaturas em amostras de ferrofluidos comerciais por meio de curvas ZFC-FC, delta m e diagramas FORC. Observamos nas curvas ZFC-FC o fenômeno de super-resfriamento e transições de fase do estado sólido para o líquido em ferrofluidos. Para amostras de cristais líquidos dopados com nanopartículas magnéticas, observamos a transição entre as fases isotrópica e nemática. Detectamos em amostras de ferrofluidos e em soluções micelares dopadas com nanopartículas um aumento da viscosidade na presença de um campo magnético aplicado, o chamado efeito magnetoviscoso, que surge devido às interações entre partículas. Nas simulações Monte Carlo, vimos que a temperatura crítica (Tc) diminui com o tamanho das partículas, e que esse comportamento pode ser descrito por uma lei de escala. As simulações também mostraram que uma camada morta na superfície das nanopartículas provoca uma pequena diminuição na temperatura crítica, o que não ocorre quando adicionamos uma camada dura, que pode aumentar significativamente Tc. Para simulações de um sistema de nanopartículas interagentes, demos especial atenção a interpretar de que forma as interações magnetizantes e desmagnetizantes se manifestam em diagramas FORC para um conjunto de nanopartículas com distribuição de tamanhos. Observamos que uma interação desmagnetizante está associada a um deslocamento do pico do diagrama FORC para campos locais de interação Hb positivos e que a presença de uma interação magnetizante pode deslocar esse pico para campos Hc , relacionados à distribuição de coercividades do sistema, maiores. / In this thesis we present a study of the behavior of a system of magnetic nanoparticles by means of experimental measurements and Monte Carlo simulations. We experimentally study the role of the interactions between particles at low temperatures in commercial samples of ferrofluids through ZFC-FC, delta m curves, and FORC diagrams. We observed the phenomenon of supercooling and phase transitions from solid to liquid states in the ZFC-FC curves of ferrofluids. For the samples of liquid crystal doped with magnetic nanoparticles, we saw the transition between the isotropic and nematic phases. We detected in the samples of ferrofluids and in micellar solutions doped with nanoparticles an increase of the viscosity in the presence of an applied magnetic field, the so-called magnetoviscous effect, which arises due to interactions between particles. In the Monte Carlo simulations, we found that the critical temperature (Tc) decreases with particle size, a behavior that is described well by a scaling law. The simulations also showed that a dead layer on the surface of the nanoparticles causes a slight decrease in the critical temperature value, what does not occur when we add a hard layer, which increases Tc significantly. For simulations of a system of interacting nanoparticles, we paid special attention to interpret how the magnetizing and demagnetizing interactions manifest themselves in FORC diagrams for a set of nanoparticles with size distribution. We observed that demagnetizing interactions is associated with a displacement of the peak of the FORC diagram to positive values of the local field interaction Hb , and that the presence of a magnetizing interaction can shift this peak to larges values of the Hc field, related to the distribution of coercivities.

Nesta tese apresentamos um estudo do comportamento magnético de sistemas de nanopartículas por meio de medidas experimentais e simulações Monte Carlo. Estudamos o papel das interações entre partículas experimentalmente a baixas temperaturas em amostras de ferrofluidos comerciais por meio de curvas ZFC-FC, delta m e diagramas FORC. Observamos nas curvas ZFC-FC o fenômeno de super-resfriamento e transições de fase do estado sólido para o líquido em ferrofluidos. Para amostras de cristais líquidos dopados com nanopartículas magnéticas, observamos a transição entre as fases isotrópica e nemática. Detectamos em amostras de ferrofluidos e em soluções micelares dopadas com nanopartículas um aumento da viscosidade na presença de um campo magnético aplicado, o chamado efeito magnetoviscoso, que surge devido às interações entre partículas. Nas simulações Monte Carlo, vimos que a temperatura crítica (Tc) diminui com o tamanho das partículas, e que esse comportamento pode ser descrito por uma lei de escala. As simulações também mostraram que uma camada morta na superfície das nanopartículas provoca uma pequena diminuição na temperatura crítica, o que não ocorre quando adicionamos uma camada dura, que pode aumentar significativamente Tc. Para simulações de um sistema de nanopartículas interagentes, demos especial atenção a interpretar de que forma as interações magnetizantes e desmagnetizantes se manifestam em diagramas FORC para um conjunto de nanopartículas com distribuição de tamanhos. Observamos que uma interação desmagnetizante está associada a um deslocamento do pico do diagrama FORC para campos locais de interação Hb positivos e que a presença de uma interação magnetizante pode deslocar esse pico para campos Hc , relacionados à distribuição de coercividades do sistema, maiores. / In this thesis we present a study of the behavior of a system of magnetic nanoparticles by means of experimental measurements and Monte Carlo simulations. We experimentally study the role of the interactions between particles at low temperatures in commercial samples of ferrofluids through ZFC-FC, delta m curves, and FORC diagrams. We observed the phenomenon of supercooling and phase transitions from solid to liquid states in the ZFC-FC curves of ferrofluids. For the samples of liquid crystal doped with magnetic nanoparticles, we saw the transition between the isotropic and nematic phases. We detected in the samples of ferrofluids and in micellar solutions doped with nanoparticles an increase of the viscosity in the presence of an applied magnetic field, the so-called magnetoviscous effect, which arises due to interactions between particles. In the Monte Carlo simulations, we found that the critical temperature (Tc) decreases with particle size, a behavior that is described well by a scaling law. The simulations also showed that a dead layer on the surface of the nanoparticles causes a slight decrease in the critical temperature value, what does not occur when we add a hard layer, which increases Tc significantly. For simulations of a system of interacting nanoparticles, we paid special attention to interpret how the magnetizing and demagnetizing interactions manifest themselves in FORC diagrams for a set of nanoparticles with size distribution. We observed that demagnetizing interactions is associated with a displacement of the peak of the FORC diagram to positive values of the local field interaction Hb , and that the presence of a magnetizing interaction can shift this peak to larges values of the Hc field, related to the distribution of coercivities.

Ein erfolgversprechender Ansatz in der biomedizinischen Forschung besteht im zielgerichteten Transport von Medikamenten und deren lokaler Anreicherung im erkrankten Bereich. Aktuelle Untersuchungen auf dem Gebiet der Krebstherapie beschäftigen sich mit dem magnetischen Drug Targeting, der Kopplung von Chemotherapeutika an magnetische Nanopartikel und der Anreicherung im erkrankten Bereich unter Verwendung externer Magnetfelder. Um derartige Verfahren perspektivisch zu beherrschen sind die Grundlagen des Strömungsverhaltens der eingesetzten sogenannten Ferrofluide, Suspensionen magnetischer Nanopartikel in geeigneten Trägermedien zu ermitteln. Während von Ferrofluiden aus dem technischen Anwendungsbereich eine starke Viskositätserhöhung durch den Einfluss externer magnetischer Felder bekannt ist, gilt es diese auch für biokompatible Ferrofluide zu untersuchen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Untersuchung der zahlreichen Einflussparameter wie dem Partikeldurchmesser, der mikroskopischen Struktur oder der magnetischen Konzentration. Weiterhin ist auch das Fließverhalten bei Verdünnung mit Blut in einer Strömungssituation möglichst nahe der medizinischen Anwendung von zentralem Interesse. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit diesen Problemstellungen. Einerseits wurden durch eine umfassende Charakterisierung wichtige Einflussparameter der Viskositätsveränderung unter dem Einfluss externer magnetischer Felder identifiziert und untersucht. Andererseits wurde ein spezielles Kapillarviskosimeter entwickelt. Dieses zeichnet sich durch die Auslegung hinsichtlich der Kapillardurchmesser sowie der Scherraten an Bereiche des menschlichen Organismus aus und es eröffnet die Möglichkeit, mit Blut verdünnte Ferrofluide unter dem Einfluss starker Magnetfelder zu untersuchen. Im Rahmen der Arbeit wurde Schafblut verwendet und es konnten Effekte gefunden werden, die eine Interaktion der Blutbestandteile mit den magnetischen Nanopartikeln vermuten lassen. Die Bildung von kettenartigen Strukturen unter dem Einfluss von Magnetfeldern, die diese Wechselwirkung verursacht, wurde mikroskopisch untersucht und ein Quantifizierungsverfahren zur Bewertung der Abhängigkeit von Magnetfeldstärke und -applikationsdauer eingeführt. Die ermittelten Resultate zeigen eine starke Beeinflussung des rheologischen und mikroskopischen Verhaltens der biokompatiblen Ferrofluide auf, welche das Potenzial besitzt die Anwendung der Flüssigkeiten zu beeinflussen und in zukünftige Forschungen, sowohl hinsichtlich der theoretischen Modellierung als auch der chemischen Synthese, einbezogen werden sollte.

Ein erfolgversprechender Ansatz in der biomedizinischen Forschung besteht im zielgerichteten Transport von Medikamenten und deren lokaler Anreicherung im erkrankten Bereich. Aktuelle Untersuchungen auf dem Gebiet der Krebstherapie beschäftigen sich mit dem magnetischen Drug Targeting, der Kopplung von Chemotherapeutika an magnetische Nanopartikel und der Anreicherung im erkrankten Bereich unter Verwendung externer Magnetfelder. Um derartige Verfahren perspektivisch zu beherrschen sind die Grundlagen des Strömungsverhaltens der eingesetzten sogenannten Ferrofluide, Suspensionen magnetischer Nanopartikel in geeigneten Trägermedien zu ermitteln. Während von Ferrofluiden aus dem technischen Anwendungsbereich eine starke Viskositätserhöhung durch den Einfluss externer magnetischer Felder bekannt ist, gilt es diese auch für biokompatible Ferrofluide zu untersuchen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Untersuchung der zahlreichen Einflussparameter wie dem Partikeldurchmesser, der mikroskopischen Struktur oder der magnetischen Konzentration. Weiterhin ist auch das Fließverhalten bei Verdünnung mit Blut in einer Strömungssituation möglichst nahe der medizinischen Anwendung von zentralem Interesse. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit diesen Problemstellungen. Einerseits wurden durch eine umfassende Charakterisierung wichtige Einflussparameter der Viskositätsveränderung unter dem Einfluss externer magnetischer Felder identifiziert und untersucht. Andererseits wurde ein spezielles Kapillarviskosimeter entwickelt. Dieses zeichnet sich durch die Auslegung hinsichtlich der Kapillardurchmesser sowie der Scherraten an Bereiche des menschlichen Organismus aus und es eröffnet die Möglichkeit, mit Blut verdünnte Ferrofluide unter dem Einfluss starker Magnetfelder zu untersuchen. Im Rahmen der Arbeit wurde Schafblut verwendet und es konnten Effekte gefunden werden, die eine Interaktion der Blutbestandteile mit den magnetischen Nanopartikeln vermuten lassen. Die Bildung von kettenartigen Strukturen unter dem Einfluss von Magnetfeldern, die diese Wechselwirkung verursacht, wurde mikroskopisch untersucht und ein Quantifizierungsverfahren zur Bewertung der Abhängigkeit von Magnetfeldstärke und -applikationsdauer eingeführt. Die ermittelten Resultate zeigen eine starke Beeinflussung des rheologischen und mikroskopischen Verhaltens der biokompatiblen Ferrofluide auf, welche das Potenzial besitzt die Anwendung der Flüssigkeiten zu beeinflussen und in zukünftige Forschungen, sowohl hinsichtlich der theoretischen Modellierung als auch der chemischen Synthese, einbezogen werden sollte.