Magnetismo e nanostrutture. Federico Spizzo Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra Università degli Studi di Ferrara

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1 Magnetismo e nanostrutture Federico Spizzo Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra Università degli Studi di Ferrara

2 nanometro = 10-9 m 1 atomo 0,3 nm + =??

3 Un po di storia... Un materiale magnetico presenta due poli, che non si possono separare tra loro. I poli magnetici interagiscono tra loro. (1300 Pietro Peregrino di Maricourt Epistola de Magnete) Anche la terra è un magnete (1600, W. Gilbert)

4 Un po di storia... Le correnti elettriche producono un campo magnetico ( ) Un campo magnetico variabile può originare delle correnti elettriche 1865 J. C. Maxwell

5 il comportamento magnetico dei materiali I materiali si distinguono tra loro per come si modificano (o meglio, si Magnetizzano) in presenza di un campo magnetico (B) paramagnetismo ferromagnetismo diamagnetismo PROPRIETA MAGNETICHE ferrimagnetismo antiferromagnetismo vetri di spin superparamagnetismo

6 il comportamento magnetico dei materiali Campo coercitivo

7 materiali magnetici per costruire celle di memoria Handbook of Magnetic Materials, vol. 3, Ed. Wolfarth G. Galilei, Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze attinenti alla meccanica e ai moti locali, 1638

8 N dipolo magnetico [1] S N N S S N S? [1] Reiner Klute Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

9 4 elettroni spaiati! ogni atomo di Fe è un dipolo magnetico! 3d 4s 3p 3s 2p 2s 1s 1925, Principio di esclusione di Pauli Fe Fe Fe Fe Fe Fe Perché i dipoli magnetici rimangono allineati?

10 1907 P.-E. Weiss: Teoria del campo molecolare - Meccanica Classica 1928 W.-K. Heisemberg: accoppiamento di scambio Meccanica Quantistica se i dipoli magnetici degli elettroni sono paralleli tra loro si risparmia energia!

11 1928 W.-K. Heisemberg: accoppiamento di scambio Meccanica Quantistica Ferromagnetismo : fenomeno di tipo cooperativo

12 cosa mantiene la magnetizzazione allineata lungo una data direzione? Anisotropia magnetocristallina L anisotropia magnetocristallina è dovuta al fatto che gli orbitali elettronici non sono isotropi

13 posso creare un modello del sistema?... così capisco se tutto funziona e riesco anche a fare delle previsioni...

14 2 µm = m 2 µm Domini magnetici all interno di un materiale (visti in una zona di dimensione pari a 2 µm) Domini magnetici all interno di un materiale (la dimensione laterale del materiale è pari a 2 µm)

15 [1] [2] [4] Configurazioni a domini magnetici rilevate in diversi materiali [1] [2] [3] [4] [3]

16 un primo tipo di nanostruttura: strato sottile ~ decine di nm testina di lettura lubrificante (1 nm) rivestimento (~ 15 nm) strato magnetico (~ ( 30 nm) strato non magnetico (~ 50 nm) strato magnetico di base (~ 10 µm) supporto metallico Effetto della Forma: nello strato magnetico, i dipoli magnetici sono orientati parallelamente allo strato stesso Eric Gaba, CC Attribution-Share Alike 3.0 Unported license, Wikimedia Commons

17 un primo tipo di nanostruttura: strato sottile 100 nm La struttura dello strato magnetico del disco vista al microscopio elettronico Thomas Chang/IBM s Storage Systems Division

18 un primo tipo di nanostruttura: strato sottile Sfruttando l anisotropia magnetocristallina si riescono ad orientare i dipoli perpendicolarmente allo strato magnetico TyIzaeL, Wikimedia Commons

19 un secondo tipo di nanostruttura: nanoparticelle Nature Communications 4 (2013) 2381 Jacek Fiutowski, et al. 11 October 2012, SPIE Newsroom Scientific Reports 3 (2013) 3339

20 effetto della forma Effetto dell orientazione

21 Per «guardare» le nanostrutture S N S N Magnetic Force Microscopy Oscillazione N S Cantilever Movimento

22 nanoparticelle come celle di memoria memorie M-RAM i i i scrittura i lettura

23 produzione di nanoparticelle TOP up down bottom

24 nanoparticelle / top - down polimero nanoparticelle di materiale magnetico litografia a fascio elettronico

25 nanoparticelle / bottom - up 1 Metodi chimici (FeCl 2 4H 2 O / FeCl 3 6H 2 O) 2 batteri piccolo volume l effetto del reticolo è molto debole comportamento super paramagnetico Fisher, E.; Barron, A. May 23, 2009 Chen, L., Bazylinski, D. A. & Lower, B. H. (2012) Nature Education Knowledge 3(10):30

26 Applicazioni in ambito ambientale e biomedicale - monitorate/manipolate manipolate a distanza grazie ad un campo magnetico - ridotta tossicità - possono essere funzionalizzate, per scegliere quale obiettivo raggiungere - elevata superficie specifica - non formano precipitati nucleo magnetico rivestimento di SiO 2 nanomateriale antibatterico catalizzatori nanomateriale assorbente X. Qu, P. J. J. Alvarez, Q. Li, Water Res. 47 (2013) 3931

27 ambito ambientale Me Me - Me Me Me Fe 3 O 4 γ-fe 2 O 3 Me R -Cl R -H Fe Me Me Me -Fe Fe-OOH S. C. N. Tang, I. M. C. Lo, Water Res. 47 (2013) 2613

28 ambito ambientale Composizione delle nanoparticelle Presenza di rivestimento superficiale Fe 3 O 4 - U (VI) Acido ascorbico SA, EDA, DMSA Acido umico Tipodi contaminante verso cui sono efficaci As(III), As(V) Cr (III), Co (III), Ni (II), Cd(II), Pb (II), As(III) Hg (II), Pb (II), Cd(II), Cu (II) γ-fe 2 O 3 - Cr (VI), Cu (II), Ni (II), As(V), As(III) Fe Ossidodi Fe Cu (II), Pb (II), As(V), Cr (VI)

29 BIO-FUNZIONALIZZAZIONE ambito biomedicale migliora la biocompatibilità dei materiali impedisce l interazione tra le nanoparticelle magnetiche (MNP MNP) e l ambiente che le circonda MNP ricoperte di polimeri o di rivestimento inorganico (SiO 2 ) Al rivestimento si possono collegare gruppi organici che permettono il legame con anticorpi/proteine/... Molecole di medicinale Anticorpo/proteina/ormone garantisce la specificità di azione E.P. Furlani, Materials 3, 2412 (2010)

30 trasporto e rilascio di farmaci ambito biomedicale tumore vaso sanguigno sorgente di campo magnetico C.S.S.R. Kumar, Advanced Drug Delivery Reviews 63 (2011) 789

31 2 µm configurazione a domini poli magnetici

32 "trasporto" di particelle ambito biomedicale 2µm S N S N A. Sarella, A. Torti, M. Donolato, M. Pancaldi, and P. Vavassori, in press on Advanced Materials.

33 nanoparticelle & archeologia ossidiana Dalle caratteristiche delle nanoparticelle magnetiche presenti nell ossidiana si riesce a risalire a quale sia il vulcano da cui proviene l ossidiana stessa

34 nanoparticelle & archeologia La reazione di riduzione Fe 3+ Fe 2+ avviene ad opera di batteri ed è influenzata dalla pressione WU Wenfang, PAN Yongxin

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