Nanopartículas magnéticas multicomponentes : diseño, fabricación y propiedades.
Las propiedades de las nanopartículas magnéticas están definidas por la elevada relación superficie/volumen y se manifiestan en fenómenos como superparamagnetismo, anisotropía de superficie, desorden magnético superficial y exchange-bias. La síntesis de nanoestructuras multicomponentes con un grado...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2016
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/607/1/1Lavorato.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Las propiedades de las nanopartículas magnéticas están definidas por la elevada relación superficie/volumen y se manifiestan en fenómenos como superparamagnetismo, anisotropía de superficie, desorden magnético superficial y exchange-bias. La síntesis de nanoestructuras multicomponentes con un grado creciente de complejidad permite un mayor control sobre sus propiedades que, guiadas por el impulso de la miniaturización
de dispositivos electrónicos y el avance de las energías limpias y la nanomedicina, pueden
optimizar el rendimiento de materiales para almacenamiento magnético de datos, imanes permanentes, aplicaciones biomédicas o catálisis. El superparamagnetismo impone
un límite a la reducción del tamaño debido a la uctuación térmica del momento
magnético cuando su energía de anisotropía resulta comparable a la energía térmica.
Frente a ello, estudios previos demostraron que el acoplamiento en la interfaz de
nanopartículas bimagnéticas antiferromagneto/ferrimagneto de estructura core/shell
permite incrementar la anisotropía efectiva y manipular el exchange-bias, de acuerdo
a la relación entre la energía de anisotropía del antiferromagneto y la intensidad de la
interacción de intercambio en la interfaz.
Esta tesis se enfoca en el diseño, la fabricación y el estudio de nuevos materiales
nanoestructurados basados en nanopartículas core/shell, orientados a sintonizar
las propiedades físicas gracias a la comprensión de los mecanismos microscópicos que
los gobiernan. Se emplearon óxidos de metales de transición, materiales abundantes y
relativamente económicos que ofrecen una variedad de propiedades, incluyendo ferrimagnetos
como ferritas de elevada anisotropía magnetocristalina (CoFe_2O_4), ferritas
de anisotropía ajustable según su composición (ferritas mixtas de Zn-Co o Ni-Co) o
biocompatibles (Fe_3O_4), monóxidos antiferromagnéticos de elevada anisotropía (CoO)
y semiconductores diamagnéticos fotoluminiscentes (ZnO). Distintas familias de nanopartículas multicomponentes se sintentizaron mediante métodos químicos basados en
la descomposición de organometálicos en solventes orgánicos, asistida por surfactantes.
Los materiales desarrollados se estudiaron mediante técnicas de caracterización estructural
(microscopía electrónica de transmisión, difracción y reectometría de rayos X,
termogravimetría), magnética (distintos magnetómetros DC y AC) y óptica (espectrometría UV-visible y de fotoluminiscencia).
En primer lugar se diseñaron distintos sistemas de nanopartículas core/shell de
composición CoO/CoFe_2O_4 y se estudiaron los efectos de tamaño con el objetivo de
controlar la anisotropía efectiva. A diferencia de lo que se observa en nanopartículas
monofásicas, al reducir el tamaño se registró un notable incremento de la anisotropía,
a expensas de una menor estabilidad térmica por el menor volumen total. En nanopartículas de 5 nm de diámetro, se demostró que el campo coercitivo medido a 5 K
puede incrementarse hasta 30.8 kOe, valor un 50% mayor que el máximo reportado
para nanopartículas monofásicas de CoFe_2O_4. A su vez, la estabilidad del momento
magnético puede aumentarse hasta la temperatura de Néel del CoO, cerca de temperatura
ambiente. Se encontró que la cristalinidad del núcleo de CoO y la eficacia de la
interacción de intercambio en la interfaz se pueden controlar mediante un tratamiento
térmico gracias al recubrimiento que protege al núcleo. Además, la comparación con
un sistema de tamaño y morfología análogos pero formado por un núcleo diamagnético
(ZnO/CoFe_2O_4) permitió identificar los diferentes roles de los efectos de superficie,
de interacciones y de interfaz, los últimos responsables de un mayor campo coercitivo,
mayor temperatura de bloqueo y menor volumen de activación en nanopartículas
bimagnéticas.
Luego, se propuso manipular el campo de exchange-bias y la anisotropía efectiva
introduciendo Zn"2+ y Ni"2+ en la ferrita de Co, para lo que se diseñaron nuevos sistemas
de nanopartículas core/shell CoO/ferrita. Se encontró que al incorporar Zn"2+, un ión
3d10 no magnético, se debilita el acoplamiento en la interfaz lo que lleva a maximizar
el exchange-bias para concentraciones intermedias de Zn en la ferrita mixta. Los resultados
se interpretaron de acuerdo a la competencia entre la energía de anisotropía del
CoO y la energía de acoplamiento en la interfaz, considerando la densidad de espines
magnéticos acoplados en la interfaz. En cambio, la introducción de Ni"2+ en la ferrita
de Co demostró, además de la presencia de exchange-bias, importantes efectos de
superficie y desorden magnético.
Las dificultades para controlar con precisión los tamaños de las fases en las estructuras
core/shell y la necesidad de un estudio sistemático de los efectos de los tamaños
relativos sobre el acoplamiento en la interfaz motivó la fabricación y estudio de películas
delgadas ferrita/ferrita. En bicapas de Fe_3O_4/CoFe_2O_4 fabricadas mediante depósito
por láser pulsado donde el espesor de Fe_3O_4 se varío entre 0 y 25 nm, se identificó un
espesor crítico de ~ 8 nm para la magnetita, por debajo del cual se observa un acople
rígido entre ambas fases, mientras que mayores espesores promueven un comportamiento
de tipo exchange-spring. Tales estudios pueden servir como sistema modelo para el
diseño de nanopartículas bimagnéticas con propiedades óptimas.
Por último, se diseñó y fabricó un sistema de nanopartículas core/shell bifuncionales
de composición CoFe_2O_4/ZnO. La caracterización preliminar reveló que el material
es capaz de generar calor frente a la aplicación de un campo magnético de radiofrecuencia
y, al mismo tiempo, presenta una respuesta óptica fotoluminiscente. Los progresos
registrados en los últimos años en el campo de la nanomedicina sugieren que las nanopartículas magnéticas pueden aportar soluciones a problemas biomédicos específicos.
La combinación de ambas funcionalidades en un mismo material permitiría abordar
nuevos estudios en el campo de la hipertermia de
uido magnético donde la marcación
óptica es fundamental, por ejemplo, para la evaluación de una aplicación sistémica de
las nanopartículas en el organismo.
La nanotecnología ofrece actualmente poderosas herramientas para el desarrollo de
materiales magneticos avanzados, incluyendo nuevos metodos químicos de fabricación y
la consolidación de técnicas de caracterización sensibles a la interfaz. El principal aporte
de este trabajo es el diseño de nanoestructuras multicomponentes y el estudio de la
compleja relación entre su estructura y propiedades físicas, que las distinguen de las
nanopartículas monofasicas, con el fin de desarrollar nuevos materiales con propiedades
sintonizables. |
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