Composition- and size-controlled synthesis of Mn-Zn ferrite nanocrystals for potential magnetocaloric applications

Abstract

There are presently many applications using nanofluids in thermal engineering. Some examples include the use of nanoparticles in conventional coolants to enhance heat transfer rate by increasing its thermal conductivity. Other applications include the sealing of bearing cases and sealing of rotary shafts. Even at low weight concentration, thermal conductivity increases significantly. In biotechnology, magnetic nanoparticles have been proposed for thermal treatment of tumor using nanoshells and alternating magnetic fields to generate heat in localized points. This work evaluates the use of nanoparticles composed of MnxZn1-xFe2O4 ferrite for cooling applications in the room temperature range. The use of ferrimagnetic nanoparticles in a fluid, for cooling applications represents an encouraging alternative to traditional methods; the fact that the fluid with ours nanoparticles, can be pumped with no moving mechanical parts, using the magnetocaloric effect, can be a great advantage for many applications where maintenance or power consumption are undesirable. The magnetic material for this specific application has to have certain specific properties, like low Curie temperature (Tc), high saturation magnetization (Ms), low viscosity and high specific heat. The selection of this type of ferrite is made based on these properties. The synthesis of the ferrite nanoparticles was carried out by chemical precipitation and the process is described further on. Magnetic characterization of MnxZn1-xFe2O4 nanoparticles includes the determination of MS as a function of composition at 300K and the dependence of Ms with temperature for a specific ‘x’ value. Both types of measurements were carried out by using SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) magnetometer and VSM (Vibrating System Measurement).

En la actualidad existen muchas aplicaciones con el uso de nano-fluidos en la ingeniería termal. Unos de los ejemplos incluyen el uso de nanopartículas en refrigerantes para incrementar la transferencia de calor aumentando la conductividad termal. Otras aplicaciones incluyen, la impermeabilización de cajas de compostura y la impermeabilización de ejes rotativos. Aún en concentraciones bajas en peso, la conductividad termal aumenta significativamente. En el campo de la biotecnología nano-partículas magnéticas han sido utilizadas para el tratamiento termal de tumores usando nano-capas y campos magnéticos alternos para la generación de calor en regiones específicas. Este trabajo evalúa el uso de nano-partículas de MnxZn1-xFe2O4 en fluido acuoso para aplicaciones de refrigerantes a temperatura ambiente. Este tipo de aplicación representa una alternativa innovadora para los métodos tradicionales es sistemas de enfriamiento; el hecho de que el fluido puede ser desplazado sin que partes mecánicas actúen sobre él, podría ser de gran avance para muchas aplicaciones donde el consumo de energía no es deseado. El material magnético deseado debe de presentar ciertas propiedades específicas como; baja Temperatura de Curie (TC), alta magnetización de saturación (MS), baja viscosidad y alto calor específico. La selección de las ferritas de Mn-Zn fue basada en estas propiedades. La síntesis de las nano-partículas fue hecha por precipitación química y este proceso será explicado y descrito mas adelante. La caracterización magnética de las nano-partículas de MnxZn1-xFe2O4 incluye la determinación de MS en función a la composición a 300K y la dependencia de MS con temperatura para valores específicos de ‘x’. Ambos tipos de medidas fueron llevadas a cabo usando los magnetómetros SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) y VSM (Vibrating System Measurement) (por sus siglas en inglés).