28.07.2020 - Universität zu Köln

Las nanopartículas magnéticas cambian su estructura magnética en un campo magnético

Un equipo internacional de investigación estudia los efectos de los campos magnéticos en las nanopartículas magnéticas

Cuando las partículas magnéticas ultrafinas son expuestas a un campo magnético externo, su núcleo magnético crece de una manera previamente inesperada. Esto fue observado por un equipo de científicos de la Universidad de Colonia (UoC), Forschungszentrum Jülich y el Instituto Laue-Langevin en Grenoble, Francia, utilizando la dispersión de neutrones polarizados.

Los resultados permiten una comprensión más precisa de la estructura y el comportamiento de las nanopartículas magnéticas en un campo magnético, lo que es importante para numerosas aplicaciones. Por ejemplo, las nanopartículas magnéticas pueden emplearse para la terapia de calor en el tratamiento del cáncer. Las nanopartículas magnéticas también se utilizan como catalizadores en procesos químicos y desempeñan un papel en el desarrollo de nuevas tecnologías de baterías.

Las nanopartículas son partículas naturales o producidas sintéticamente que van de 1 a 100 nanómetros. Un nanómetro es una millonésima parte de un milímetro. Las partículas consisten en varios miles de átomos y son ligeramente más pequeñas que las bacterias. En comparación con los sólidos y las partículas más grandes, las nanopartículas tienen propiedades químicas y físicas específicas, por lo que se pueden producir materiales completamente nuevos a partir de ellas.

Las nanopartículas magnéticas consisten en un material magnético que contiene, por ejemplo, hierro, níquel o cobalto. Si las partículas son lo suficientemente pequeñas, se comportan como pequeños imanes que tienen un polo norte y un polo sur y pueden girar en cualquier dirección. Las pequeñas partículas magnéticas pueden encontrarse en forma natural en las rocas, pero también en algunos organismos vivos, como las bacterias, donde los mini-imanes ayudan al organismo a orientar el movimiento (magnetotaxis). Son importantes en la tecnología de los fluidos magnéticos (ferrofluidos), los imanes permanentes, los medios de almacenamiento magnético o las aplicaciones biomédicas.

Los científicos suelen describir la estructura interna de una nanopartícula magnética utilizando un modelo simple y estático. Según este modelo, las nanopartículas magnéticas están compuestas por un núcleo magnético y una superficie que no es - o sólo ligeramente - magnética. Hasta ahora, los científicos asumían que el magnetismo en una nanopartícula se limita esencialmente a esta área del núcleo, ya que tiene un cierto orden de los átomos, de modo que los momentos magnéticos o los giros, es decir, el momento intrínseco de los electrones, pueden alinearse regularmente. En cambio, los espines se alinean aleatoriamente en la región superficial estructuralmente desordenada de la nanopartícula. Por lo tanto, no se puede desarrollar allí ningún orden y por lo tanto ningún magnetismo.

La Dra. Sabrina Disch del Departamento de Química de la UoC y su equipo de investigación han demostrado ahora mediante la dispersión de neutrones en nanopartículas de ferrita de cobalto que la estructura de las nanopartículas magnéticas cambia en el campo magnético. En el experimento, el volumen del núcleo magnético aumentó hasta un 20% cuando se aplicó un campo magnético externo. Al mismo tiempo, el grosor de la superficie desordenada disminuyó de 0,7 nanómetros (a 11 militesla) a 0,28 nanómetros (a 1,2 tesla).

El campo magnético aplicado hace que algunos de los momentos magnéticos previamente desordenados en la región de la superficie se alineen, y por lo tanto se ordenen de una manera comparable a la magnetización en la región del núcleo. Sin embargo, en la superficie queda un área residual con espiras alineadas de forma diferente, que no puede ser ordenada por el campo magnético aplicado", dijo la Dra. Dominika Zákutná, antigua investigadora doctoral del grupo de investigación de Disch. Hizo parte de su trabajo en el Instituto Laue Langevin de Grenoble. En el experimento, esta región desordenada y no magnética constituye el 12% del volumen de la nanopartícula incluso en el campo magnético más alto.

En general, la investigación demostró que el grado de desorden de los espines en la superficie de la partícula influye en el tamaño del núcleo de la partícula magnética. Nuestros resultados muestran que el modelo explicativo estático de las nanopartículas magnéticas, que prevalecía entre los científicos hasta ahora, no es suficiente y debe ser ampliado para incluir un componente dependiente del campo magnético que está determinado por el desorden estructural", concluyó el Dr. Disch.

El grupo de investigación internacional utilizó para estos experimentos instrumentos de dispersión de neutrones operados por el Instituto Laue-Langevin en Grenoble y el Centro Jülich para la Dispersión de Neutrones en el Centro Heinz Maier-Leibnitz en Garching. La dispersión de neutrones se utiliza ampliamente en la ciencia para determinar las propiedades estructurales y dinámicas de los materiales. Se empleó aquí para resolver la magnetización del núcleo y la superficie de las nanopartículas magnéticas.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Hechos, antecedentes, expedientes
  • nanopartículas
Más sobre Uni Köln
Más sobre Forschungszentrum Jülich
Más sobre Institut Laue-Langevin