Nanomagnetismo

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 ?
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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)
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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?