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Transition Vitreuse dans un Ferrofluide
Proposition de Stage/Thèse

Figure 1 : (gauche) un ferrofluide attiré par un aimant. (droite) nanoparticule magnétique avec son axe dipolaire (noir). Les 3 degrés de liberté sont la rotation et la translation de la particule (orange) et la rotation du moment dipolaire (bleu).

En mettant des nanoparticules magnétiques en suspension dans un liquide, on obtient un ferrofluide. Ce dernier a les propriétés mécaniques d’un liquide et celles d’un matériau magnétique à température élevé (paramagnétisme). Les ferrofluides ont de nombreuses applications, par exemple dans les technologies aérospatiales, le transfert de chaleur ou la médecine. Au-delà de ces applications, les physiciens s’intéressent à ces assemblées de nanoparticules magnétiques (en interaction ou non) en suspension car elles peuvent être utilisées pour étudier certains problèmes fondamentaux de physique statistique.

Nous proposons une étude expérimentale de la transition vitreuse des liquides moléculaires en utilisant des ferrofluides (Fig. 1). Lorsqu’ils sont progressivement refroidis, certains liquides (e.g. glycérol ou huile hydrocarbonée) ne cristallisent pas : ils restent dans un état de liquide surfondu et, si le refroidissement est poursuivi, ils présentent le phénomène de transition vitreuse pour une température Tg en dessous de laquelle ils ne coulent plus. Que se passe-t-il à cette transition ? Pour aussi ancienne qu’elle soit, cette question n’est toujours pas résolue actuellement. Une de ses problématiques centrales est celle d’hétérogénéité dynamique : le liquide serait une juxtaposition de zones rapides ou lentes de taille nanométrique. Ceci devrait avoir des conséquences importantes sur la mobilité rotationnelle des nanoparticules magnétiques en suspension (Fig 2). Nous visons à sonder cette transition à l’aide de mesures de susceptibilité magnétique en ac grâce à un magnétomètre à SQUID (Superconducting quantum Interference Device). Les expériences projetées feront appel aux techniques de basses températures, magnétométrie ultra-sensible, mesures faible niveau, acquisition automatisée, analyses statistiques de données, etc.

 

Figure 2 : Le principe des mesures. Lorsque le champ magnétique ac, Bac(f), est appliqué au ferrofluide, les moments dipolaires des nanoparticules tendent à suivre l’oscillation de Bac(f) par un mouvement rotationnel. En suivant l’évolution de la susceptibilité magnétique du fluide en fonction de la fréquence et de la température, nous pouvons étudier le frottement visqueux des nanoparticules qui est fortement modifié près de la transition liquide surfondu-verre.

En fonction de l’avancement du travail, une étude plus microscopique est envisageable en utilisant des sondes de taille micrométrique basées sur l’effet Hall. Cette technique permet de mesurer le champ magnétique local dans des domaines de l’ordre du micron. A terme, des tailles submicroniques sont visées.  De tels dispositifs peuvent être sensibles au retournement d’aimantation d’une nanoparticule unique.

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Maj : 26/10/2010 (1656)

 

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