Nanomagnetismo
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Nanomagnetismo - A escala nanométrica - Magnetismo macroscópio - Magnetismo em escala nanométrica - Aplicações: - Gravação Magnética - Biomedicina - Nanopartículas em Seres Vivos Elis Helena de Campos Pinto Sinnecker Laboratório de Baixas Temperaturas [email protected] Qual o tamanho de um nanômetro? 1 nanômetro = 1 bilionésimo do metro (10-9 m) “um ponto mágico na escala de comprimento, pois este é o ponto onde as menores objetos construídos pelo homem se encontram com átomos e moléculas do mundo natural” 2 Eugene Wang (1999) Viagem pelas dimensões Ø Limite do universo conhecido Ø Grande aglomerados de galáxias Ø Via Láctea Ø 100 000 anos luz de diâmetro 1025 m POWERS OF TEN Viagem pelas dimensões Ø A Via Láctea Ø 1011 estrelas 1022 m Viagem pelas dimensões Ø Detalhes da Via Láctea Ø 1/3 das galáxias tem forma espiral 1021 m Viagem pelas dimensões Ø Órbitas 1014 m dos planetas Viagem pelas dimensões Ø Sistema 1013 m Solar Viagem pelas dimensões Ø Terra 109 m e Lua Viagem pelas dimensões Ø A TERRA Ø Diâmetro equatorial 12.756,2 km 108 m Viagem pelas dimensões Ø Continentes 107 m Viagem pelas dimensões Ø Cidade 104 m Viagem pelas dimensões Ø Flores 100 m= 1m Viagem pelas dimensões Ø Detalhes 10-2 m = 1 cm de insetos Viagem pelas dimensões Ø Detalhe do olho do inseto Ø pólem das plantas 10-3 m = 1 mm Viagem pelas dimensões Ø Detalhe 10-4 m = 0.1 mm do pólem Viagem pelas dimensões Ø Célula Branca linfócito 10-5 m = 0.01 mm Viagem pelas dimensões Ø Membrana do núcleo de uma célula 10-6 m = 1 µm Viagem pelas dimensões Ø Estrutura do DNA 10-7 m = 0.1 µm enovelada Viagem pelas dimensões Ø Estrutura 10-8 m = 0.01 µm do DNA Viagem pelas dimensões Ø Molécula Ø O NANÔMETRO !!! Ø Estrutura 10-9 m = 1 nm de DNA Atômica A escala nano Novos fenômenos em objetos com 1-100 nanômetros 21 Magnetismo ? The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. X-Men Magneto Dick Tracy – 1935 “ A nação que dominar o magnetismo dominará o mundo.” Nanomagnetismo ? É o estudo dos sistemas magnéticos que têm pelo menos uma dimensão na escala de nanômetros: - partículas - filmes finos - fios, etc Nanomagnetismo - Origem do magnetismo - Tipos de magnetismo - Ferromagnetismo - Domínios magnéticos - Nanopartículas magnéticas - Aplicações: - Gravação magnética - Separação magnética - Biomédicas Origem do Magnetismo: cargas em movimento Nanomagnetismo Ø O movimento de correntes elétricas gera campos magnéticos Ø O spin do elétron (sem rigor, análogo ao efeito de uma rotação em torno do seu eixo) também gera campos magnéticos Ø O magnetismo da matéria resulta de correntes nos átomos e do spin eletrônico Classificação dos materiais magné4cos - Diamagnéticos: repelidos por uma região de campo mais intenso - Paramagnéticos: atraídos por uma região de campo mais intenso - Ferromagnéticos: fortemente atraídos por uma região de campo mais intenso. * Todo ferromagneto aquecido acima de uma temperatura crítica (Temp de Curie) passa a se comportar como um paramagneto. Ferromagnetismo momento de dipolo Paramagneto Ferromagneto Por que o nanomagnetismo é diferente do magnetismo macroscópico? Nas amostras nanométricas encontramos: • Fenômenos quânticos • Maior proporção de átomos superficiais • Presença de fronteiras e interfaces • Átomos com número reduzido de vizinhos • Dimensões comparáveis a certos comprimentos característicos • Instabilidade do magnetismo devido à excitação térmica Por que o nanomagnetismo é diferente do magnetismo macroscópico? Maior proporção de átomos superficiais Por que o nanomagnetismo é diferente do magnetismo macroscópico? Proporção de átomos na superfície de um cubo Número de Número de átomos em átomos na cada aresta superfície Número total de átomos Relação átomos na superfície/total (%) 5 98 125 78,5 10 488 1.000 48,8 100 58.800 1X106 5,9 1.000 6X106 1X109 0,6 Domínios magnéticos: tamanho crítico Abaixo de um tamanho crítico a amostra é um monodomínio Instabilidade térmica: Superparamagnetismo Comprimento Valor típico (nm) Tamanho de domínio 10 - 104 Largura de parede de domínio 1 - 102 Alcance da interação de troca 10-1 - 1 Distância para inversão do spin do elétron 10 - 102 Superparamagnetismo Partícula pequena multi-domínio Ø Partícula pequena mono-domínio direção fácil (bloqueado) Ø Partícula superparamagnética Diminuindo D Ø “ rotação livre” dos momentos devido à desordem térmica Átomos de Co M=N x 1.64µΒ Superparamagneto N: 1000 átoms. 3nm Ø Momento das partículas rigidamente alinhados Ø Rotação Coerente de µ Magnetoresistência Gigante - GMR Albert Fert e Peter Grünberg, Prêmio Nobel 2007, pelos estudos com a MRG Aplicações de materiais magnéticos Gravação Magnética Avanços Tecnológicos Tinta marrom contendo óxido de ferro Filme fino magnético. http://www.sciam.com/2000/0500issue/0500toig.html Materiais magnéticos em um HD Discos de metal ou plástico recobertos com material magnético que giram sob a ação de um motor elétrico. Arquivos registrados nos discos como áreas magneticamente codificadas. Capacidade depende do no discos e do recobrimento Atuador move os braços da cabeça de leitura/gravação através dos discos alinhando as cabeças com os círculos concêntricos que compõem as trilhas na superfície dos discos. Distância entre a cabeça de leitura/gravação e os discos é 5000x menor do que o diâmetro de um fio de cabelo. Cabeças de leitura/gravação deslizam através das superfícies dos discos giratórios. As cabeças gravam a informação nos discos alinhando os momentos magnéticos das partículas na superfície dos discos. A leitura do dado é feita através da polaridade das partículas alinhadas. Os 3 elementos da gravação magnética Gravação Magnética Gbits/in2 bit diminui para dimensões sub-micromética N/bit cte Ø diâmetro do grão do meio magnético deve diminuir Ø cresce instabilidade térmica: Limite Superparamagnético Superparamagnetismo Contornando o Superparamagnetismo Leitura de dados Ø Hard disk drive (IBM) Ø GMR Sensor (IBM) Cabeça de gravação indutiva Leitura de dados com GMR Leitura de dados com GMR Qual a quantidade de informaçãp? Magnético 92% Filme 7,6% Papel e ótico 0,03% Bit (b) Byte (B) Kilobyte (kB) Megabyte (MB) Gigabyte (GB) Terabyte (TB) Petabyte (PB) Exabyte (EB) ZePabyte (ZB) 1 or 0 8 bits 1,000 bytes 1,000 kB 1,000 MB 1,000 GB 1,000 TB 1,000 PB 1,000 EB 2 kB = 2x103 bytes – uma página escrita 5 MB = 5X106 bytes – toda a obra de Shakespeare 10 TB = 10X1012 bytes – Biblioteca do Congresso dos EUA (apenas os textos) Fluidos Magnéticos Nanoestruturados Fluídos – Suspenções Coloidais Suspenção Coloidal MOLHO Béarnaise Vinagre Manteiga Fluídos Magnéticos - Ferrofluidos Ø Suspensão de pequenas partículas em meio líquido Ø Partículas com diâmetro nanométrico (~10nm) Ø Partículas “monodomínio” Ø “flutuam” em líquido Ø agitação térmica: MxH – Langevin Ø Comportamento: líquido + superparamagnético Ø diversas aplicações Mais sobre pequenas partículas … Fluídos Magnéticos - Ferrofluidos Ausência de campo Presença de campo distribuição aleatória dos momentos magnéticos alinhamento das partículas ao longo das linhas de campo Magnetoviscosidade Ø limitação da rotação livre das partículas devido ao campo magnético Ø efeito Ø eixo anisotrópico de magnetização em relação ao campo Fluidos Magneto-Reológico Ø O fluido muda de líquido para sólido com a aplicação de campo magnético Ø Reversível Ø Aplicações: Suspensão automotiva Fluídos Magnéticos - Ferrofluidos Despoluição Ambiental Ø ferrofluido Ø polímero com base líquida em óleo (PETRÓLEO) esférico poroso Ø impregnado Ø forma com pequenas partículas magnéticas ferrofluido MENOS denso que a água Ø utilização em derramamento acidental de óleo Ø possibilidade Ø reutilização de separação magnética posterior das partículas Fluídos Magnéticos - Ferrofluidos Despoluição Ambiental Ø ferrofluido Ø polímero com base líquida em óleo (PETRÓLEO) esférico poroso Ø impregnado Ø forma com pequenas partículas magnéticas ferrofluido MENOS denso que a água Ø utilização em derramamento acidental de óleo Ø possibilidade Ø reutilização de separação magnética posterior das partículas Nanopartículas: aplicações biomédicas Nanopartículas - Aplicações Biomédicas Ø Ferrofluidos Biocompatíveis Ø tratamento localizado - câncer biocompatível Nanopartículas - Aplicações Biomédicas Partículas para contraste em Ressonância Magnética Partículas para o transporte de fármacos Partículas para hipertermia (tratamento térmico local) 58 Nanopartículas - Aplicações Biomédicas Nanopartículas - Aplicações Biomédicas Nanopartículas - Aplicações Biomédicas Nanopartículas - Aplicações Biomédicas Liberação sistêmica Ø Alta concentração da droga circulando livremente Ø Baixa concentração no local desejado Liberação Controlada Ø Alta concentração da droga no local desejado Ø Baixa concentração circulando livremente Nanopartículas - Aplicações Biomédicas Observação de Reações Bioquímicas Ø Tempo de Relaxação Magnética Ø Partículas livre e partículas ligadas: apresentam diferentes tempos de relaxação Ø Reações detectadas uso de SQUIDs Ø Aplicações in vivo diagnóstico de câncer Nanopartículas - Aplicações Biomédicas Marcação de células Ø Pequenas partículas de Fe3O4 (10 nm - micron) Ø Recobertas com proteínas ou outro material. Ø Adição de anticorpos específicos adere à substância que se deseja identificar Nanopartículas - Aplicações Biomédicas Hipertermia: Tratamento de células cancerígenas por aquecimento http://www.imprs-am.mpg.de/nanoschool2004/lectures-I/Hofmann_IMPRS.pdf Nanopartículas em seres vivos Alinhamento com campo magnético Bactéria com cristais de material ferromagnético Bico de pombo mostrando pontos contendo regiões com Fe3+ (~µm) (Hanzlik et al. 2000) 1-66 Bactéria Magnetostática Ø Quando expostas a um campo magnético movimentam-se de acordo com o campo Ø Em direção ao norte magnético "north-seeking“ (maioria) Ø Em direção ao sul magnético "south seeking". Bactéria Magnetostática A natureza magnética: pequenas partículas magnéticas (nm) no interior das bactérias Ø Magnetita: Fe3O4 Ø Cadeias de partículas Ø Reagem ao campo como uma bússola Ø Alinhamento paralelo ao campo magnético da Terra. Ø FIM Ø Novas Aplicações !!! Ø Novas idéias !!! Ø ......futuro promissor ? Ø Implicações?
