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Nanopartículas magnéticas multicomponentes: diseño, fabricación y propiedades
Gabriel Carlos Lavorato Elin Lilian Winkler Roberto Daniel Zysler
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Resumen/Descripción – provisto por el repositorio digital
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 fluctuación 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 enfocó 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 CoFe2O4, ferritas de anisotropía ajustable según su composición (ferritas mixtas de Zn-Co o Ni-Co) o biocompatibles (Fe3O4), 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 reflectometría 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/CoFe2O4 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 CoFe2O4. 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/ CoFe2O4) 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, en sintonía con los objetivos planteados en el plan de trabajo original, se propuso manipular el campo de exchange-bias y la anisotropía efectiva introduciendo Zn2+ y Ni2+ en la ferrita de Co, para lo que se diseñaron nuevos sistemas de nanopartículas core/shell CoO/ferrita. Se encontró que al incorporar Zn2+, 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 Ni2+ 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 Fe3O4/CoFe2O4 fabricadas mediante depósito por láser pulsado donde el espesor de Fe3O4 se varió 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, realizados durante una estadía en el Centro de Investigaciones en Química Biológica de la Universidad de Santiago de Compostela en el marco de estadías cortas del programa Bec.Ar, 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 CoFe2O4/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 fluido 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 magnéticos avanzados, incluyendo nuevos métodos químicos de fabricación y la consolidación de técnicas de caracterización sensibles a la interfaz. El principal aporte de este trabajo fue el diseño de nanoestructuras multicomponentes y el estudio de la compleja relación entre su estructura y propiedades físicas, que las distinguen de las nanopartículas monofásicas, con el fin de desarrollar nuevos materiales con propiedades sintonizables.Palabras clave – provistas por el repositorio digital
Nanopartículas Magnéticas; Nanopartículas Multicomponentes; Nanopartículas Core/Shell; Superparamagnetismo; Anisotropía Magnética; Interacción de Intercambio; Síntesis Química; Nanomedicina; Nanomagnetismo; Nanotecnología; Nano-materiales; INGENIERÍAS Y TECNOLOGÍAS; Física de los Materiales Condensados; Ciencias Físicas; CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS; Ingeniería de los Materiales
Disponibilidad
| Institución detectada | Año de publicación | Navegá | Descargá | Solicitá |
|---|---|---|---|---|
| No requiere | 2016 | CONICET Digital (SNRD) |
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Información
Tipo de recurso:
tesis
Idiomas de la publicación
- español castellano
País de edición
Argentina
Fecha de publicación
2016-12-12
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