Effect of pressure and temperature on magnetic properties of superparamagnetic mesocrystals

Mesocrystals are nanostructured materials, characterized by not only long-range packing arrangement of nanosized building blocks, but also their preferred crystallographic orientation. In particular, mesocrystals can be formed by self-assembly of crystalline nanoparticles into highly ordered 3D superlattices, keeping mutual crystallographic orientation. The mesocrystalline structure transposes nanoparticle properties to mesoscopic lenght scales and results in a complex structure-property relationship. Bulk magnetite ($Fe_3O_4$) is ferrimagnetic at standard temperature and pressure, while aggregates of magnetite nanoparticles, whose sizes are below 30 nm, show an exotic magnetic behaviour, called “superparamagnetism”. The magnetic properties of magnetite mesocrystals show differences when compared to nanopowders, suggesting that the mutual orientation and packing of nanoparticles in mesocrystals have an influence on the magnetic behaviour. The aim of the project is to study the effects of high pressure and low temperature on the magnetic properties of mesocrystals, which have not been investigated in detail so far. Multiple batches of magnetite nanoparticles with truncated cubic shape (showing average sizes of 12.5 nm and 9 nm) have been synthetized, and mesocrystals have been prepared through a gas phase diffusion approach. The batches’ size distributions have been measured from TEM images, and the mesocrystals have been observed through optical microscopy and SEM. The low-temperature magnetic properties of mesocrystals have been characterized through Vibrating Sample Magnetometry, and the blocking temperature of 12.5 nm truncated cubic magnetite nanoparticles has been measured. The structures of several mesocrystals were characterized in a SAXS/WAXS experiment at ID-28, ESRF. The effect of high pressure on the mesocrystal structure was observed by using a Diamond Anvil Cell setup. Data from a previous high pressure SQUID experiment were analyzed in order to characterize the high pressure magnetic properties of a mesocrystal powder sample.

I mesocristalli sono materiali nanostrutturati, caratterizzati non solo da un ordinamento a lungo raggio dei blocchi costitutivi di dimensioni nanometriche, ma anche dalla loro orientazione cristallografica preferenziale. In particolare, i mesocristalli possono essere formati dall'autoassemblaggio di nanoparticelle cristalline in superlattice tridimensionali altamente ordinati, mantenendo l'orientazione cristallografica reciproca. La struttura mesocristallina trasferisce le proprietà delle nanoparticelle su scale di lunghezza mesoscopiche, risultando in una complessa relazione struttura-proprietà. La magnetite bulk (Fe3O4) è ferrimagnetica a temperatura e pressione standard, mentre gli aggregati di nanoparticelle di magnetite, con dimensioni inferiori ai 30 nm, mostrano un comportamento magnetico esotico, definito “superparamagnetismo”. Le proprietà magnetiche dei mesocristalli di magnetite presentano differenze rispetto alle nanopolveri, suggerendo che l'orientazione reciproca e l'impacchettamento delle nanoparticelle nei mesocristalli influenzino il comportamento magnetico. L’obiettivo di questo progetto è studiare gli effetti dell’alta pressione e delle basse temperature sulle proprietà magnetiche dei mesocristalli, fenomeno che non è stato finora investigato in dettaglio. Sono stati sintetizzati più lotti di nanoparticelle di magnetite con forma cubica troncata (con dimensioni medie di 12,5 nm e 9 nm), e i mesocristalli sono stati preparati tramite un approccio di diffusione in fase gassosa. Le distribuzioni dimensionali dei lotti sono state misurate tramite immagini TEM, mentre i mesocristalli sono stati osservati tramite microscopia ottica e SEM. Le proprietà magnetiche a bassa temperatura dei mesocristalli sono state caratterizzate tramite magnetometria Vibrating Sample, e la Blocking temperature delle nanoparticelle di magnetite cubica troncata di 12,5 nm è stata misurata. Le strutture di diversi mesocristalli sono state caratterizzate in un esperimento SAXS/WAXS presso ID-28, ESRF. L’effetto dell’alta pressione sulla struttura dei mesocristalli è stato osservato utilizzando una cella a incudine di diamante. I dati di un precedente esperimento SQUID ad alta pressione sono stati analizzati per caratterizzare le proprietà magnetiche ad alta pressione di un campione in polvere di mesocristallo.