Magnetismo e nanostrutture Federico Spizzo Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra Università degli Studi di Ferrara
nanometro = 10-9 m 1 atomo 0,3 nm + =??
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)
Un po di storia... Le correnti elettriche producono un campo magnetico (1820 1830) Un campo magnetico variabile può originare delle correnti elettriche 1865 J. C. Maxwell
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
il comportamento magnetico dei materiali Campo coercitivo
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
N dipolo magnetico [1] S N N S S N S? [1] www.eniscuola.it Reiner Klute Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)
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?
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!
1928 W.-K. Heisemberg: accoppiamento di scambio Meccanica Quantistica Ferromagnetismo : fenomeno di tipo cooperativo
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 http://criticalpoint.altervista.org/chimica-generale/a/orbitali.html
posso creare un modello del sistema?... così capisco se tutto funziona e riesco anche a fare delle previsioni...
2 µm = 2 10-6 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) http://math.nist.gov/oommf/
[1] [2] [4] Configurazioni a domini magnetici rilevate in diversi materiali [1] http://www.splung.com/content/sid/3/page/magnetism [2] http://www.nt-mdt.cn/scan-gallery/scan/magnetic-domains-of-yttrium-iron-garnet-1 [3] http://www-hrem.msm.cam.ac.uk/gallery/pics/ndfeblarge.jpg [4] http://www-hrem.msm.cam.ac.uk/gallery/pics/colarge.jpg [3]
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
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
un primo tipo di nanostruttura: strato sottile Sfruttando l anisotropia magnetocristallina si riescono ad orientare i dipoli perpendicolarmente allo strato magnetico TyIzaeL, Wikimedia Commons
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
effetto della forma Effetto dell orientazione
Per «guardare» le nanostrutture S N S N Magnetic Force Microscopy Oscillazione N S Cantilever Movimento https://www.mtholyoke.edu/courses/kaidala/lab/projects/projects.html
nanoparticelle come celle di memoria http://moodle.epfl.ch memorie M-RAM i i i scrittura i lettura
produzione di nanoparticelle TOP up down bottom
nanoparticelle / top - down polimero nanoparticelle di materiale magnetico litografia a fascio elettronico
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. http://cnx.org/content/m22167/1.6/, May 23, 2009 Chen, L., Bazylinski, D. A. & Lower, B. H. (2012) Nature Education Knowledge 3(10):30
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
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
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)
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)
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
2 µm configurazione a domini poli magnetici
"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.
nanoparticelle & archeologia ossidiana http://web.unife.it http://www.sardegnacultura.it http://lamiapreistoria.blogspot.it/ Dalle caratteristiche delle nanoparticelle magnetiche presenti nell ossidiana si riesce a risalire a quale sia il vulcano da cui proviene l ossidiana stessa
nanoparticelle & archeologia La reazione di riduzione Fe 3+ Fe 2+ avviene ad opera di batteri ed è influenzata dalla pressione http://www.apmolentargius.it/geomorfologia.php http://english.igg.cas.cn, WU Wenfang, PAN Yongxin