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 M agnetizzano) in presenza di un
campo magnetico (B )
paramagnetismo
diamagnetismo
ferromagnetismo
PROPRIETA’ MAGNETICHE
antiferromagnetismo
ferrimagnetismo
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
S
[1]
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
1925, Principio di esclusione di Pauli
3s
2p
2s
1s
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
Domini magnetici all’interno di un materiale
(visti in una zona di dimensione pari a 2 µm)
(la dimensione laterale del materiale è pari a 2 µm)
http://math.nist.gov/oommf/
[2]
[1]
[4]
Configurazioni
a domini magnetici
rilevate in diversi materiali
[3]
[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
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
Eric Gaba, CC Attribution-Share Alike 3.0 Unported license, Wikimedia Commons
Effetto della Forma:
nello strato magnetico, i dipoli
magnetici sono orientati parallelamente
allo strato stesso
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
Cantilever
Oscillazione
N
Movimento
S
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 (FeCl2 ⋅ 4H2O / FeCl3 ⋅ 6H2O)
piccolo volume
comportamento
Fisher, E.; Barron, A.
http://cnx.org/content/m22167/1.6/, May 23, 2009
2 batteri
l’effetto del reticolo è molto debole
super paramagnetico
Chen, L., Bazylinski, D. A. & Lower, B. H. (2012) Nature Education Knowledge 3(10):30
Applicazioni in ambito ambientale e biomedicale
monitorate/
monitorate/manipolate a distanza grazie ad un campo magnetico
ridotta tossicità
possono essere funzionalizzate,
funzionalizzate per scegliere quale obiettivo raggiungere
elevata superficie specifica
non formano precipitati
catalizzatori
nucleo magnetico
rivestimento di SiO2
nanomateriale
antibatterico
nanomateriale
assorbente
X. Qu, P. J. J. Alvarez, Q. Li, Water Res. 47 (2013) 3931
-
ambito ambientale
Me
Me
MeMe
Me
Me
Fe3O4
γ-Fe2O3
Fe
R
-Cl
Fe-OOH
Me -FeMe
R
-H
Me
S. C. N. Tang, I. M. C. Lo, Water Res. 47 (2013) 2613
ambito ambientale
Composizione delle
nanoparticelle
Presenza di
rivestimento
superficiale
Fe3O4
-
Tipo di contaminante
verso cui sono efficaci
U (VI)
Acido ascorbico
As (III), As (V)
SA, EDA, DMSA
Cr (III), Co (III), Ni (II),
Cd (II), Pb (II), As (III)
Acido umico
Hg (II), Pb (II), Cd (II),
Cu (II)
γ-Fe2O3
-
Cr (VI), Cu (II), Ni (II),
As (V), As (III)
Fe
Ossido di 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)
MNP e l’ambiente che le circonda
Molecole di
medicinale
Anticorpo/proteina/ormone
garantisce la specificità di azione
E.P. Furlani, Materials 3, 2412 (2010)
MNP ricoperte di polimeri
o di rivestimento inorganico
(SiO2)
Al rivestimento si possono
collegare gruppi organici che
permettono il legame con
anticorpi/proteine/...
trasporto e rilascio di farmaci
tumore
ambito biomedicale
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
nano
http://web.unife.it
ossidiana
Dalle caratteristiche delle
nanoparticelle magnetiche
presenti nell’ossidiana si riesce a
risalire a quale sia il vulcano da
cui proviene l’ossidiana stessa
http://www.sardegnacultura.it
http://lamiapreistoria.blogspot.it/
nanoparticelle
& archeologia
nano
La reazione di riduzione
Fe3+
Fe2+
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
