Slide 1 - Mesonpi

Modelos para
magnetorecepção
Dr Daniel Acosta Avalos
“Magnetismo Biológico”
Escola de Verão – CBPF
2006
Indução magnética
Se um ser vivo pode detectar campos
elétricos então também poderá detectar
campos magnéticos através da Lei de
Indução de Faraday.
Indução magnética
► Dentre
os animais elétricos temos os que
produzem descargas de alta voltagem e os
que sentem campos elétricos.
► Produtores de corrente elétrica:
Todas as células vivas produzem quantidades
mínimas de eletricidade.
Porem, num animal elétrico os músculos
especializados, envolvidos na geração de
eletricidade, produzem milhões ou bilhões
de vezes mais eletricidade que um músculo
normal.
Indução magnética
► Órgão:
eletroplacas ... células musculares
que em vez de se contraírem produzem
eletricidade!!!
Indução magnética
► Exemplos
deste tipo de animais:
Torpedo
Poraquê
Raia
Indução magnética
►O
órgão elétrico pode ser usado para
produzir descargas....ou na tarefa de
eletrorrecepção, ou seja, na detecção de
campos elétricos extremamente fracos.
► Nem sempre funciona para os dois
objetivos.
Indução magnética
►
Família Gymnotoidei (peixes com forma de agulha) : todos
possuem órgão elétrico para alta descarga e outro de
descarga baixa para eletrocomunicação e eletrolocalização
Eletrophorus electricus
Gymnotus carapo
Indução magnética
► Dentre
os peixes eletrorreceptores temos os
da família Elasmobranchia (tubarões e raias)
e o da família dos Silurodei, que são peixes
ósseos ao contrario dos Elasmobranchia,
dentre eles os “catfish” ou peixes gato.
Indução magnética
► Órgãos
elétricos:
Miogênicos: foram formados a partir de células
musculares
Neurogênicos: foram formados a partir de células
nervosas
Os órgãos miogênicos evoluíram a partir de algum
tipo de célula muscular, e o tipo varia entre as
espécies de peixes elétricos. Já os órgãos
neurogênicos são o resultado de uma evolução
secundaria dos órgãos miogênicos.
Indução magnética
► Órgão
miogênico da enguia: em 1 ms
descarrega uma corrente de 1 A numa
voltagem de 500 V.
► Órgão
neurogênico: descarrega mais vezes
que um miogênico. Em alguns peixes pode
descarregar até 1800 vezes por segundo.
Indução magnética
►
►
►
O órgão eletrorreceptor nos
Elasmobranchia é conhecido
como ampola de Lorenzini e
corresponde com um órgão
bulboso.
Nos teleósteos são órgãos
bulbosos.
Nos Mormyridae (e outros tipos
de peixes) são órgãos
tuberosos.
Indução magnética
► Órgãos
bulbosos são sensíveis a baixa
freqüência: usados primariamente para
detectar corrente contínua ou as lentas
mudanças nos campos elétricos da presa e das
fontes inanimadas. Uma destas é a corrente
induzida pelo movimento das massas de água,
como as correntes marinhas, através do
campo magnético da terra (Força de Lorentz).
Estes receptores são os mais sensíveis às
correntes elétricas, variando um equivalente a
cerca de 1-10 Hz, dependendo da espécie.
Indução magnética
► Órgãos
tuberosos são sensíveis a alta
freqüência: usados primariamente na
eletrocomunicação - detectando as
descargas elétricas de outros membros da
mesma espécie. Os receptores tuberosos são
os mais sensíveis às flutuações das correntes
elétricas de cerca de 100-1.000 Hz,
dependendo da espécie e mesmo do
indivíduo.
Indução magnética
► Assim,
o movimento de um peixe com
sensibilidade elétrica num campo magnético
induz uma corrente elétrica que pode ser
sentida pelo peixe.
► O aspecto que prevalece é o relativista: o
movimento relativo num campo magnético
induz um campo elétrico.
Indução magnética
►O
movimento de um sistema condutor num
campo magnético deve produzir uma
corrente perpendicular ao campo magnético
e ao vetor velocidade do sistema
► Um sistema detector de campos elétricos
deve ser sensível a esta corrente induzida
Indução magnética
NORTE
MAGNÉTICO
COMPONENTE HORIZONTAL
DO CAMPO GEOMAGNÉTICO
CORRENTES ELÉTRICAS
INDUZIDAS
VELOCIDADE DO
TUBARÃO
Indução magnética
► Porem
as correntes de água também
produzem correntes elétricas que podem
interferir na corrente induzida
► Como o animal distingue ambas correntes?
► Uma solução: detecção do campo oscilante
gerado na ampola de Lorenzini quando o
peixe mexe a cabeça de ida e volta...
Indução magnética.....
Ornitorrinco....
Olhos,
ouvidos e
nariz
fechados
quando ele
faz
mergulhos
noturnos
Indução magnética.....
40,000 eletrorreceptores
40,000 mecanorreceptores no bico
Indução magnética.....
Echidna comedor de insetos
Bico curto – Australia
–400 eletrorreceptores
–Alimenta-se de cupins
Indução magnética.....
Echidna comedor de vermes
Bico largo – Nova Guinea
–2000 eletrorreceptores
– Alimenta-se de vermes
Detecção com luz
► Em
1977, M. Leask publica na revista Nature uma
proposta de modelo ressonante para explicar a
magnetorecepção em pássaros.
► Neste modelo, ele propunha a criação de pares de
radicais livres fotoexitados, ou seja, teriam que
estar envolvidas moléculas fotoativas.
► A primeira molécula proposta foi a rodopsina.
Detecção com luz
►O
modelo de Leask era bastante primitivo, mas foi
capaz de predizer comportamentos que depois
foram observados experimentalmente.
► Atualmente este modelo tem sido modificado
muito, e hoje é conhecido como o modelo da
produção de pares de radicais.
► A idéia é que fotomoléculas no estado base são
exitadas para estados tripletes após absorver luz.
Na relaxação destes estados exitados, alguns
estados transitórios podem reagir com outras
moléculas usando para isto campos magnéticos
externos.
Detecção com luz
Detecção com luz
Detecção com luz
Detecção com luz
Detecção com luz
Detecção com luz
Detecção com luz
Outros modelos químicos...
► ICR
: Ressonância Ciclotrônica de Íons
Permite explicar os efeitos observados
de campos magnéticos oscilantes em
diferentes organismos vivos.
Hipótese ferromagnética
Propriedades magnéticas da matéria
► Um
material na presença de um campo
magnético externo B apresenta uma
magnetização M (momento magnético)
por unidade de volume.
► A relação entre ambos parâmetros pode
ser escrita da seguinte forma:
M = cB
Propriedades magnéticas da
matéria
c é conhecida como a susceptibilidade magnética.
► Se
c < 0 então, o material é DIAMAGNÉTICO.
c > 0 então, o material pode ser
PARAMAGNÉTICO ou FERROMAGNÉTICO,
dependendo de seu valor e do comportamento
de M em função da temperatura e do campo
magnético aplicado.
► Se
Diamagnetismo
► Lei
de Lenz: quando o fluxo magnético
aplicado através de um circuito muda, uma
corrente induzida aparece numa direção tal
que se oponha à mudança de fluxo.
► Reflexo natural da resistência às mudanças
num sistema.
Diamagnetismo
► Podemos
pensar que os elétrons, na
presença de um campo magnético B0 irão
precessar em volta do eixo do campo com
velocidade angular:
eB 0

2m
Diamagnetismo
► Isto
implica numa corrente elétrica I:
2
Ze B0
QT
Ze eB0
I



T
2 2m
4 m
onde Z é o número atômico do elemento,
e é a carga elétrica do elétron,
M é a massa do elétron e o sinal negativo
vem da carga negativa do elétron.
Diamagnetismo
► Esta
corrente induzida no átomo está
relacionada com um momento magnético:
Ze B0 
2
  IA  
2
4m
onde A é a área formada pelo circuito de corrente e < 2 > é o
valor médio do quadrado da distância dos elétrons ao eixo do
campo magnético
Diamagnetismo
►A
magnetização por unidade de volume na
matéria será então:
2
M 
NZe B0 r
2
6m
onde N é o número de átomos por unidade de volume e
< r2 > é o valor médio do quadrado da distância ao centro do
átomo
Diamagnetismo
► Assim,
observamos que a susceptibilidade
magnética deve ser:
2
c 
NZe r
6m
2
Diamagnetismo
► Observamos
que na dedução anterior não
foi feita nenhuma restrição aos átomos, o
que mostra que TODA A MATERIA É
DIAMAGNÉTICA.
► O valor de c é negativo e não depende da
temperatura.
► Se o campo magnético aplicado for muito
intenso, então pode-se levitar um objeto.
Diamagnetismo
LEVITAÇÃO DIAMAGNETICA
Diamagnetismo
Levitação diamagnética numa rã
Diamagnetismo
Levitação diamagnética num grilo
Paramagnetismo
► Agora
vamos analisar o que acontece num
átomo quando ele está na presença de um
campo magnético.
► Para átomos com elétrons desemparelhados
observamos que o momento magnético pode
ser escrito quanticamente como:


  J   g B J

B é o magneton de Bohr
Paramagnetismo
► Os
níveis de um sistema atômico num
campo magnético:
 
U    B  mJ g B B
onde mJ é o número quântico azimutal e tem os valores –J, -J+1,....J-1, J
Para átomos com um elétron de valência, sem momento
orbital, temos que mJ = ±1/2 e g=2, de onde U = ±BB
Paramagnetismo
► Supondo
que o sistema analisado tem só
dois níveis de energia, existirão duas
populações em equilíbrio, cujos tamanhos
serão dados por uma estatística de
Boltzmann:
B / 
N1
e
 B / 
 B / t
N e
e
 B / 
N2
e
 B / 
 B / t
N e
e
Paramagnetismo
► N1
e N2 são as populações dos níveis
inferiores e superiores respectivamente, e
N = N1 + N2 é o número total de átomos
no sistema.
► O momento para cada átomo em N1 é m,
e para cada átomo em N2 é –m. Assim:
x
x


 e e

M  ( N1  N 2 )   N  x
 N tanh x
x
e e
onde
x
B
kT
Paramagnetismo
► Se
o átomo tiver momento angular orbital,
na presença de um campo magnético B o
número quântico J terá 2J+1 níveis de
energia com separações iguais.
► Neste caso a magnetização será:
M  NgJ B BJ (x)
Paramagnetismo
► BJ
é a função de Brillouin:
2J 1
 (2 J  1) x  1
 x 
BJ ( x) 
coth 
coth 


2J
 2J
 2J
 2J 
onde
x  gJ
B B
kT
Paramagnetismo
► Em
ambos casos, para x<<1:
Np  B
M NJ ( J  1) g  B
C
c



B
3kT
3kT
T
1/ 2
onde p  g J ( J  1)
2
2
2
2
A expressão mostrada para c é conhecida como a
Lei de Curie
Materiais magnéticos
► Observamos
que no diamagnetismo e no
paramagnetismo aparece um momento
magnético em resposta a um campo
externo. Se o campo externo for NULO o
momento magnético do material também
será nulo.
Materiais magnéticos
► Porém,
existem materiais que apresentam
um momento magnético num campo nulo.
► A presença deste momento magnético
espontâneo sugere que os spins
eletrônicos e os momentos magnéticos
estão arranjados de uma forma regular.
Materiais magnéticos
►
►
►
►
Os materiais magnéticos podem ser
classificados de acordo com a forma
como os momentos magnéticos estão
ordenados dentro da estrutura cristalina
do material:
Ferromagnéticos
Ferrimagnéticos
Antiferromagnéticos
Materiais magnéticos
► Cada
material magnético é caracterizado por
uma temperatura de ordenamento:
No caso dos ferro(i)magnetos esta temperatura
é a temperatura de Curie (TC); acima dela a
magnetização espontânea desaparece.
►T
> TC : fase paramagnética desordenada
► T < TC : fase magnética ordenada
► No
caso dos antiferromagnetos esta
temperatura é a temperatura de Neel (TN)
Materiais magnéticos
► Aproximação
do campo médio (mean field
approximation): cada átomo magnético sente um
campo proporcional com a magnetização
BE  M
 é uma constante independente da temperatura
Cada spin sente a magnetização média dos outros spins.
Ferromagnetismo
► Neste
caso os momentos magnéticos
estão orientados paralelamente:
Porém, numa configuração deste tipo tem que existir a repulsão
magnetostática entre os momentos magnéticos. Pierre Weiss supôs
que neste caso deveria existir um campo magnético extra que manteria
todos os momentos alinhados. Este campo magnético fictício é chamado
de Campo de Troca BE (Exchange Field).
Ferromagnetismo
► BE
: campo molecular, campo de Weiss ou campo
de troca.
► Ele não é real e então não entra nas equações de
Maxwell
► Magnitude ≈ 107 Gauss (103 T), 104 vezes maior
que o campo entre os dipolos num ferromagneto.
► O efeito de orientação opõe-se à agitação térmica.
► Em temperaturas elevadas a ordem dos spins se
destrói.
Ferromagnetismo
► Como
mostrar o ordenamento magnético?
► Difração de nêutrons!!
► Os nêutrons não tem carga e então não
interagem eletricamente, porém tem spin
e podem interagir magneticamente com
estruturas magnéticas.
► Interpretação semelhante àquela da
difração de raios X.
Ferromagnetismo
T < TC 
T > TC 
Ferromagnetismo
► Agora,
usando a aproximação do campo médio:
Para T > TC:
M  c P (B0  BE )
Então:
Pela Lei de Curie:
C
cP 
T
MT  C  (B0  BE )  C  (B0  M)
Assim, obtemos a equação de
Curie-Weiss :
M
C
c

B 0 T  C
Ferromagnetismo
► Lei
de Curie-Weiss
C
c
T  TC
TC é a temperatura de Curie e corresponde com uma temperatura de
ordenamento magnético
Experimentalmente, num gráfico de c-1 contra T deve-se observar que:
c-1 = 0 se T = TC
Elementos como o ferro, o cobalto e o níquel apresentam
ordenamento ferromagnético
Antiferromagnetismo
► Em
materiais como NiO e KNiF3 observa-se que
por baixo de uma certa temperatura a
magnetização espontânea é nula, porém a
difração de nêutrons mostra um ordenamento
magnético.
► Por cima desta temperatura: observa-se uma
estrutura magnética com um tamanho de célula
unitária magnética
► Por baixo desta temperatura: observa-se que a
célula unitária magnética dobra de tamanho.
Antiferromagnetismo
► Assim,
se tem um ordenamento dos
momentos com duas vezes a distância atômica
e nenhum momento magnético total.
►A
interpretação para isto é que os momentos
estão ordenados antiparalelamente.
Antiferromagnetismo
► Usando
a aproximação do campo médio:
Ba  B0  aa M a  ab M b
Bb  B0  ba M a  bb M b
- Duas sub-redes magnéticas a e b
- Ma e Mb são as magnetizações de cada subrede
aa e bb descrevem a intensidade da interação intra-rede
ab descreve a intensidade da interação entre as redes
- O sinal é negativo porque o campo médio é contrário ao
campo aplicado.
Antiferromagnetismo
► Assim,
numa estrutura antiferromagnética, com
momentos magnéticos em cada sub-rede de igual
intensidade, porém com sentidos opostos:
ab  ba
aa  bb  ii
O coeficiente ii pode ser positivo ou negativo e
o coeficiente ab tem que ser positivo
Antiferromagnetismo
► No
equilíbrio térmico, a magnetização das subredes a e b será:
1
M a  NgsS B BS ( x a )
2
1
M b  NgsS B BS ( x b )
2
g s S B B a
xa 
kT
onde
g s S B B b
xb 
kT
Antiferromagnetismo
► Na
região paramagnética:
M a  c ' Ba
M b  c ' Bb
NgS2S(S  1)  B2 C

onde: c ' 
6kT
T
Lembrando que na rede completa:
Após um pouco de álgebra
pode ser mostrado que:
2C
c
T
M  Ma  Mb
M
c
B0
onde
  C  (ab  ii )
Antiferromagnetismo
gráfico c-1 contra T pode-se observar um
comportamento análogo ao da Lei de CurieWeiss, porém agora o intercepto com o eixo T
será negativo.
► Num
►
NÃO é uma temperatura de ordenamento
► Existe
uma temperatura de ordenamento
espontâneo, conhecida como Temperatura de
Neel TN
Antiferromagnetismo
► Por
baixo de TN os momentos Ma e Mb são
diferentes de zero num campo nulo. Assim:
M a  C  (ii M a  ab M b ) / TN
M b  C  (ab M a  ii M b ) / TN
Para que este sistema não tenha só a solução trivial, o determinante dos
coeficientes tem que ser zero
TN  C  (ab  ii )
Antiferromagnetismo
Ferrimagnetismo
► Neste
caso a ordem magnética corresponde a
duas sub-redes antiparalelas com momentos
magnéticos diferentes entre as redes.
► O momento magnético total é diferente de
zero.
Este tipo de ordem magnética é comum numa família de minerais chamados de
ferritas.
Ferrimagnetismo
► Na
aproximação do campo médio para este caso,
vamos supor que os sítios a e b não são
equivalente e que Ma ≠ Mb. Assim:
Ba  B0  aa M a  ab M b
Bb  B0  ab M a  bb M b
onde, por questões de simetria:
ab  ba
aa  bb
Ferrimagnetismo
► Da
mesma forma que no antiferromagnetismo, podese calcular a susceptibilidade na região
paramagnética, onde agora cada sub-rede tem uma
constante de Curie diferente (Ca e Cb):
(T  Ca aa )M a  Ca ab M b  Ca B0
Cb ab M a  (T  Cb bb )M b  Cb B0
Ferrimagnetismo
► Após
uma álgebra complicada, pode-se mostrar que:
c
1
T

1
  c0 
C
T  '
onde:
C  Ca  C b
c 01   (Ca2aa  C 2b bb  2Ca C b ab ) C 2
  Ca C b Ca2 (aa  ab ) 2  C 2b (bb  ab ) 2  2Ca C b [2ab  (aa  bb )ab  aa bb ]/ C3
'   Ca Cb (aa  bb  2ab ) C
Ferrimagnetismo
► Para
valores grandes de T:
C
c
T
Também existe uma temperatura na qual valores não nulos de M
em ambas sub-redes podem aparecer para campo zero:
a Temperatura de Neel Ferrimagnética TNF
TNF
Ca aa  Cb bb [(Ca aa  Cb bb ) 2  4Ca Cb 2ab ]1/ 2


2
2
Graficamente, aparece uma curvatura na vizinhança de TNF, o que é
característico de materiais ferrimagnéticos.
Ordenamento magnético
c verso T
Dependência do tamanho
►O
que acontece quando o tamanho do material
magnético diminui?
► Materiais volumosos (dimensões maiores que
milímetros): formação de domínios
► A formação dos domínios magnéticos é
energeticamente favorável.
► Os domínios magnéticos estão saturados: todos os
momentos nele estão alinhados na mesma direção
► A energia magnética do sistema neste caso é a
mínima possível.
Dependência do tamanho
A formação dos domínios é favorecida
pela existência de diversas contribuições
à energia, dentre elas as contribuições
das anisotropias magnéticas, sendo as
principais a anisotropia de forma e
a cristalina
Na presença de um campo magnético
os domínios podem reorientar-se na
direção do campo.
Dependência do tamanho
► No
estilo do Demócrito: o que aconteceria
se um imã fosse fatiado inúmeras vezes?
► Se o tamanho do imã diminui muito, as
diversas contribuições à energia não
favorecem mais a formação de domínios.
► Chegaremos então num Monodomínio
Magnético.
Dependência do tamanho
►O
monodomínio magnético é estável.
► Os momentos magnéticos de cada átomo
se encontram ordenados igualmente em
toda a partícula.
► O momento total da partícula se encontra
orientado numa direção fixa, segundo a
anisotropia cristalina e de forma.
Dependência do tamanho
►E
se o tamanho diminuir mais ainda?
► Neste caso a energia magnetocristalina
deverá diminuir também, chegando em
níveis comparáveis àqueles da energia
térmica kT.
► A energia magnetocristalina constitui uma
barreira de energia para as duas possíveis
orientações do momento magnético.
► Para tamanhos menores que aquele do
monodomínio, o momento magnético pode
oscilar entre as duas orientações possíveis,
pulando a barreira de energia.
Dependência do tamanho
►O
comportamento destas partículas depende
da temperatura, pois kT pode ser maior,
semelhante ou menor que a barreira de
energia magnetocristalina.
► Pode definir-se uma temperatura, chamada de
Temperatura de Bloqueio TB, na qual a
energia térmica kTB é semelhante à energia
da barreira.
► Isto implica que o tempo de relaxação entre
as duas orientações possíveis deve aumentar
com a diminuição da temperatura.
Dependência do tamanho
► Em
função da diminuição do tamanho:
► Organização em multidomínios magnéticos (bulk)
► Após um certo volume limite V1 e até um volume
V2 ( V1 > V2 ) as partículas não formam mais
domínios magnéticos e se comportam com um
único domínio. Estas partículas são chamadas de
Monodomínios Magnéticos.
► Para volumes menores que V2 a partícula se
comporta como um material paramagnético,
porque o momento magnético da partícula pode
variar termicamente. Isto é conhecido como
Superparamagnetismo e depende da forma da
partícula e das anisotropias da mesma.
Dependência do tamanho
Segundo a temperatura e o tempo de relaxação podem ser
definidos três estágios para estas partículas:
► T > TB : os tempos de relaxação são maiores que o tempo
de detecção do aparelho de medida. A sensação é de um
sistema paramagnético, pois o momento total é nulo em
campo zero. Neste caso o sistema é chamado de
SUPERPARAMAGNÉTICO.
► T ≈ TB : os tempos de relaxação são da mesma ordem que
o tempo de detecção do aparelho de medida. A sensação é
de uma relaxação lenta. Neste caso o sistema é chamado
de VISCOSO.
► T < TB : os tempos de relaxação são muito maiores que o
tempo de detecção do aparelho de medida. A sensação é
de um momento magnético estável em cada partícula.
Neste caso o sistema é chamado de ESTÁVEL, e apresenta
características semelhantes a um sistema magnético.
►
Dependência do tamanho
► Superparamagnetismo
Dependência do tamanho
Barreira de energia magnética
Relaxação do momento magnético M
M r  Mse

 f e
1 KV / kT
0
Dependência do tamanho
Multidomínios
Monodomínio
Superparamagneto
Partículas monodomínio e superparamagnéticas têm tamanhos menores
que micrometros, na faixa de menos que 500 nm. Por isso são chamadas
de nanopartículas magnéticas.
O limite entre multidomínio e monodomínio depende do mineral magnético.
Materiais magnéticos: minerais
de ferro
► Fe
é o quarto elemento mais abundante na
crosta terrestre (5,1% da massa)
► Elemento muito reativo
► Ele é encontrado nas rochas primárias do manto
terrestre na forma de silicatos minerais com
Fe(II) ou também na forma de sulfetos
► Expostos na intempérie na superfície da Terra
eles se oxidam, o Fe é liberado e se precipita
como um novo mineral.
► Dependendo das condições ambientais, serão
formados óxidos, oxihidróxidos, sulfitos,
sulfetos, carbonatos e fosfatos.
Materiais magnéticos: minerais
de ferro
► Estes
minerais são comuns nos solos, zonas
úmidas, lagoas, rios e oceanos.
► Fe tem papel fundamental em vários
processos biológicos, como o transporte do
oxigênio sanguíneo nos vertebrados.
► Armazenado nos seres vivos dentro da
ferritina.
► A ferritina consiste de uma proteína que
envolve um oxihidroxido de Fe pobremente
cristalino.
Materiais magnéticos: minerais
de ferro
► Nos
organismos, geralmente o Fe está
complexado na forma de Fe férrico (Fe3+),
pois quando ele está livre na forma de Fe
ferroso (Fe2+) ele reage com o oxigênio e
produz peróxido de hidrogênio (H2O2)
através das reações Fenton.
Materiais magnéticos: minerais
de ferro
Materiais magnéticos: magnetita
► Fórmula
química: Fe3O4
► Estrutura espinel inversa, onde se
encontram distribuídos Fe(II) e Fe(III)
► É responsável pelo magnetismo da maioria
das rochas, junto com a titanomagnetita.
Materiais magnéticos: magnetita
► Estrutura
espinel
Materiais magnéticos: magnetita
► Na
estrutura espinel: 8 sítios tetrahedrais (ou
A) e 16 sítios octahedrais (ou B). A constante
de rede é aproximadamente 8 Å.
► A magnetita tem estrutura espinel inversa:
► se fosse espinel a fórmula seria AB2O4, onde
os sítios A estariam ocupados pelo Fe2+ e os
sítios B pelos Fe3+. Na estrutura espinel
inversa a fórmula é B[AB]O4, onde []
representam os sítios octahedrais. Também
poderíamos escrever Fe3+[Fe2+Fe3+]O4
Materiais magnéticos: magnetita
► Apresenta
uma valência fracionária de 2,5 pois
um elétron fica pulando entre o Fe2+ e o Fe3+
nos sítios octahedrais.
► A temperatura ambiente é um ótimo condutor.
► Por baixo dos 118 K acontece uma transição
eletrônica e cristalográfica, conhecida como a
TRANSIÇÃO DE VERWEY:
► eletrônica: o elétron pára de pular e então a
resistividade aumenta em 100X
► cristalográfica: de cúbica para ortorrômbica
Materiais magnéticos: magnetita
Transição de Verwey
Materiais magnéticos:
maghemita
► Maghemita: magnetita – hematita
► Estrutura similar àquela da magnetita
► A maioria dos Fe estão no estado trivalente,
e as
vacâncias dos cátions ficam compensadas pela
oxidação dos Fe2+.
► Formada usualmente pela oxidação da magnetita em
baixas temperaturas, pela desidratação da
lepidocrocita (-FeOOH) ou pela precipitação direta a
partir de soluções.
► Cada célula unitária cristalográfica tem 32 íons de O2,
21 1/3 íons de Fe3+ e 21 1/3 de vacâncias, sendo que
as vacâncias estão restritas aos sítios octahedrais.
Materiais magnéticos:
maghemita
► Este
óxido de Ferro é encontrado nos solos
dos trópicos e subtrópicos e ocasionalmente
no solo das regiões temperadas.
► A maghemita é ferrimagnética à temperatura
ambiente.
► A temperatura de Curie é difícil de medir, pois
a maghemita se transforma em hematita à
temperaturas acima dos 713 K. TC tem sido
estimada entre 820 K e 986 K.
► É difícil distinguir a magnetita da maghemita
usando análise de raios X.
Materiais magnéticos: ferritina
►A
ferritina é o principal composto biológico para
armazenar Fe.
► Ela é formada por proteínas que envolvem um
núcleo de ferrihidrita.
► Mantém efetivamente o ferro em um estado
que é solúvel e facilmente disponível às células
e tecidos.
► O núcleo não é um óxido de Fe cristalino mais
estável porque a proteína inibe este processo
através de um ciclo bioquímico fortemente
controlado o qual transporta Fe como Fe2+ e
elimina Fe3+ na forma de ferrihidrita.
Materiais magnéticos: ferritina
► Apoferritina:
molécula de ferritina sem o
núcleo. Corresponde a uma esfera oca, com
um diâmetro externo de 12 nm, e um
diâmetro interno de 8 nm.
► A sua estrutura tridimensional está bem
conservada através dos reinos animal, vegetal
e protista.
► A esfera protéica pode armazenar até 4500
átomos de ferro dentro de sua cavidade.
► A alta proporção Fe:proteína (200 vezes mais
que na hemoglobina) é possível mantendo o
Fe como um mineral compacto.
Materiais magnéticos: ferritina
► Pouco
é conhecido sobre a natureza química
do Fe que é captado pela ferritina in vivo.
Existe pouco Fe2+ livre dentro das células e
uma grande abundância de quelantes de Fe,
como os citratos. Porém, o controle da
mineralização do Fe na casca da ferritina é
realizado através do equilíbrio entre a
concentração de proteína e os níveis de ferro
celular.
Materiais magnéticos: ferritina
► Uma
característica importante é seu conteúdo
variável de fosfato: 44 Fe/Pi para a ferritina do
molusco Patella laticosata até 1,7 Fe/Pi para a
bactéria Pseudomonas aeruginosa.
► Ferritina de mamífero tem níveis intermediários
de fosfato.
► Baixos níveis de fosfato: núcleos mais
cristalinos e linhas de difração típicas de
ferridrita
► Altos níveis de fosfato: núcleos amorfos, e o
núcleo pode ser visto como um hidrofosfato de
ferro amorfo.
Hipótese ferromagnética
► Esta
hipótese supõe que o transdutor do
campo magnético é formado por imãs
ligados a estruturas celulares capazes de
converter os sinais magnéticos em sinais
nervosos.
► Uma forma de testar esta hipótese é
procurar a existência de partículas
magnéticas no corpo dos organismos que
mostram sensibilidade ao campo
geomagnético.
Hipótese ferromagnética
Hipótese ferromagnética
Hipótese ferromagnética
Hipótese ferromagnética
Hipótese ferromagnética
Hipótese ferromagnética
Imagem eletrônica espectroscópica das partículas
isoladas magneticamente de corpos
macerados de formigas.
A. Imagem do ferro
B. Imagem do oxigênio
C. Imagem de campo claro
As setas indicam duas partículas que compartem
a presença simultânea de ferro e oxigênio.
A barra de escala corresponde com 200 nm
Hipótese ferromagnética
A análise da difração de elétrons mostrou
que as partículas correspondem com
óxidos de ferro magnéticos
Hipótese ferromagnética
Hipótese Ferromagnética
Hipótese Ferromagnética
Hipótese ferromagnética
Hipótese ferromagnética
Magnetita de cerebro humano
Hipótese ferromagnética
Possíveis mecanismos??
Vida em Marte?