Síntese e Estudo das Propriedades Magnéticas e de Transporte Eletrônico em Materiais Magnéticos Nanoestruturados

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1 Edital MCT/CNPq/CT-Infra/CT-Petro/Ação Transversal IV Nº 16/2008 "Casadinho" Síntese e Estudo das Propriedades Magnéticas e de Transporte Eletrônico em Materiais Magnéticos Nanoestruturados Nome do Coordenador (proponente) Prof. Dr. João Maria Soares, Professor Adjunto e Coordenador do Curso de Mestrado em Física da UERN joaosoares@uern.br Instituição Proponente Departamento de Física Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (UERN) Campus Universitário Central, Setor II Mossoró, Rio Grande do Norte, Brasil CNPJ: / Fone/Fax: (84)

2 1. Informações sobre os Programas de Pós-Graduação Os Grupos de Pesquisa que participam desta proposta fazem parte dos Programas de Pós-Graduação em Física da UERN e da UFPE. Um breve histórico destes Programas, considerando os critérios de avaliação e conceito da CAPES será feito a seguir Programa de Pós-Graduação em Física da UERN O Programa de Pós-Graduação em Física da UERN tem como objetivos principais formar mestres altamente qualificados em física e desenvolver pesquisas, na área de Física da Matéria Condensada, de grande interesse científico e tecnológico na atualidade. O programa pretende ser um centro formador de recursos humanos para as instituições de ensino superior e empresas de tecnologias, contribuindo positivamente para o desenvolvimento sócio-econômico do estado do Rio Grande do Norte e do Nordeste. O Departamento de Física da UERN, localizado no Campus Central, em Mossoró, foi fundado em 1995 e seu recente Curso de Mestrado foi aprovado na 97 a reunião do Conselho Técnico e Científico - CTC da CAPES (julho/2007), com conceito 3(três), na Área de Física da Matéria Condensada e homologado pelo Conselho Nacional de Educação - CNE através da Portaria Nº87-DOU de 18/01/2008 e Parecer 277/2007-Pag 30 a 33, 17/01/2008. O Mestrado em Física da UERN, conta com 12 (doze) docentes doutores/pesquisadores no corpo permanente. Apesar de não ser um curso de mestrado interinstitucional, esse corpo permanente conta com a participação de três doutores/pesquisadores da Universidade Federal Rural do Semi-Árido UFERSA, Instituição fisicamente vizinha (distante 200 metros) da UERN. As suas atividades de ensino e pesquisa iniciaram-se em Março/2008, contamos atualmente com 5(cinco) estudantes.

3 1.2. Programa de Pós-Graduação em Física da UFPE O Programa de Pós-Graduação em Física do Departamento de Física da UFPE tem como objetivo principal a formação de recursos humanos qualificados, em níveis de Mestrado e de Doutorado em Física, e a concomitante realização de atividades de pesquisa em Física Básica (teórica e experimental) e Física Aplicada, originais e de qualidade internacional. O Departamento de Física da UFPE, localizado no Campus da Cidade Universitária, em Recife, foi fundado em 1968 e seu Programa de Pós-Graduação iniciado em 1973 com o curso de Mestrado. A partir de 1975 foi criado o Doutorado, tendo esses dois Cursos sido credenciados pelo Conselho Federal de Educação em Atualmente o Programa ocupa a classificação máxima (7) na avaliação trienal realizada pela CAPES. O Programa tem mantido uma formação contínua de Mestres e Doutores, tendo formado até hoje 261 Mestres e 93 doutores em Física, que atuam em Centros de Pesquisa e de Pós-Graduação nas diversas regiões do país e do exterior. Desde o estabelecimento dos primeiros grupos de pesquisa em 1971, seus pesquisadores já publicaram cerca de trabalhos científicos em revistas internacionais indexadas, com uma produtividade média no triênio anterior ( ) de 2,5 trabalhos por pesquisador por ano. Durante o ano de 2007, o Programa contou com 33 docentes em seu quadro permanente, 01 docente visitante estrangeiro bolsista PVE/CAPES, 13 pesquisadores em programa de pós-doutorado, e mais de 80 estudantes em programa de pós-graduação. Cerca de 80% dos docentes permanentes do Programa de Pós-Graduação são Bolsistas de Produtividade em Pesquisa do CNPq, sendo 19 bolsistas em nível 1 e 06 bolsistas em nível 2.

4 2. Área de Concentração, Linhas de Pesquisa, Projetos e Trabalhos Científicos Os Grupos de Pesquisa envolvidos nesta proposta têm em comum a mesma área de concentração: Física da Matéria Condensada. As linhas de pesquisa em que esses grupos atuam são: Materiais Magnéticos e Propriedades Magnéticas (UERN/UFPE); Materiais Dielétricos e Propriedades Dielétricas (UERN). Dentro das linhas de pesquisa citadas, os pesquisadores destes Grupos desenvolvem atualmente uma série de projetos experimentais e teóricos, como são mostrados sucintamente a seguir. I. Título: Síntese e Estudo das Propriedades Magnéticas de Nanopartículas Magnéticas, aprovado no Edital de Jovens Pesquisadores Edital MCT/CNPq nº 09/2007. Este projeto pretende consolidar as competências do grupo de magnetismo experimental da UERN em Nanociência e Nanotecnologia (N&N) ampliando sua infra-estrutura física de pesquisa. Este trabalho também visa à formação de recursos humanos incluindo estudantes de iniciação científica e mestrandos do programa de Mestrado em Física da UERN. A proposta de pesquisa em N&N dividese em duas partes. Na primeira, produzir e estudar as propriedades magnéticas de nanopartículas de núcleo/camada altamente cristalinas compostas por materiais magnéticos duros e moles para aplicação em ímãs permanentes de alto desempenho e dispositivos de armazenamento de dados. Na segunda, produzir e estudar as propriedades magnéticas da liga granular FeAg. II. Título: Preparação e estudo das propriedades magnéticas de nanocompósitos de CoFe 2 O 4 /CoFe e CoFe/CoFe 2 O 4, aprovado no Edital Universal Edital MCT/CNPq nº 15/2007. Neste projeto pretende-se produzir nanopartículas magnéticas de núcleo/camada altamente cristalinas com materiais magnéticos duros e moles para aplicação em ímãs permanentes de alto desempenho e dispositivos de

5 armazenamento de dados. A fase magnética dura proporciona uma alta coercividade e a fase magnética mole uma alta magnetização de saturação que combinadas podem produzir ímãs permanentes com grande produto de energia. III. IV. Título: Projeto de Infra-estrutura de Pesquisa do Programa de Pós-Graduação em Física da UERN, aprovado no Edital Pró-Equipamentos N o 01/2007 CAPES. Esta proposta tem como objetivo a aquisição de 02 (dois) equipamentos destinados a complementar a infra-estrutura dos laboratórios de pesquisa existentes na Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (UERN), a citar: Laboratório de Análises Magnética e Óptica (LAMOp) e Laboratório de Preparação de Amostras. Os equipamentos são: um difratômetro de raios-x e o moinho planetário de bolas. Título: Efeitos dipolares em sistemas manoestruturados, aprovado no Edital 003/2007 Programa Primeiros Projetos PPP da FAPERN. O presente projeto contempla a participação de grupos de pesquisa de duas Universidades públicas do estado do Rio Grande do Norte (UFRN e UERN) e tem caráter multidisciplinar, incluindo pesquisadores das áreas de Física e Farmácia. Visa à otimização de algoritmos para investigar interações dipolares nas fases magnéticas, estabilidade térmica de sistemas nanomagnéticos estruturados e de partículas magnéticas para vetorização de fármacos. V. Título: Produção e Estudo das Propriedades Magnéticas de Nanocompósitos para Uso em Ímãs Permanentes de Alto Desempenho, aprovado no Edital 003/2007 Programa Primeiros Projetos PPP da FAPERN. O objetivo deste projeto é a preparação, caracterização estrutural e magnética de nanocompósitos altamente cristalinos de Fe 2 CoO 4 /FeCo e FeCo/Fe 2 CoO 4 para uso em ímãs permanentes de alto desempenho. As experiências prévias desses grupos na área do presente Projeto podem ser aferidas pelos diversos artigos publicados, citados a seguir: 1) SOARES, J. M., de ARAÚJO, J. H., CABRAL, F. A. O., MACHADO, F. L. A., DUMELOW, T., XAVIER Jr, M. M., SASAKI, J. M. Particle size distribution in FeAg granular alloy. Journal of Non-Crystalline Solids., (em impressão)

6 2) CABRAL, F. A. O., MACHADO, F. L. A., ARAÚJO, J. H., SOARES, J. M., RODRIGUES, A. R., ARAÚJO, A. Preparation and Magnetic Study of the CoFe 2 O 4 -CoFe 2 Nanocomposite Powders. IEEE Transactions on Magnetics., (em impressão) 3) GONCALVES, L. A. P., SOARES, J. M., MACHADO, F. L. A., AZEVEDO, W. M. GMI effect in the low magnetostrictive Co 70 Fe 5 Si 15 B 10 alloys. Physica. B, Condensed Matter., v.384, p , ) GONCALVES, L. A. P., SOARES, J. M., MACHADO, F. L. A., RODRIGUES, A. R. Hall and giant magnetoimpedance effects in the Co 70 Fe 5 Si 15 B 10 metallic glass. Journal of Non-Crystalline Solids., v.352, p , ) MOREIRA, M. L., SOARES, J. M., AZEVEDO, W. M., RODRIGUES, A. R., MACHADO, F. L. A., ARAÚJO, J. H. Structural and magnetic properties of nanoparticles of La 2/3 Sr 1/3 MnO 3. Physica. B, Condensed Matter., v.384, p.51-53, ) SOARES, J. M., MACHADO, F. L. A., ARAÚJO, J. H., CABRAL, F. A. O., GINANI, M. F. Fe interpaticle interactions in Fe x Ag 100-x granular alloys (2<x<50). Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics., v.72, p , ) BORGES, F. M. M., MELO, D. M. A., CAMARA, M. S. A., MARTINELLI, A. E., SOARES, J. M., ARAÚJO, J. H., CABRAL, F. A. O. Magnetic behavior of nanocrystalline MnCo 2 O 4 spinels. Journal of Magnetism and Magnetic Materials., v.302, p , ) MORALES, M. A. ; Finotelli, P.V.; COAQUIRA, J. A. H. ; Rocha-Leão, M. H.; Diaz-Aguila, C; BAGGIO-SAITOVITCH, E. M. ; ROSSI, A. M.. In situ synthesis and magnetic studies of iron oxide nanoparticles in calcium-alginate matrix for biomedical applications. Materials Science & Engineering. C, Biomimetic Materials, Sensors and Systems, v. 28, p , ) MORALES, M. A. ; Tapan Kumar Jain ; V. Labhasetwar ; D. Leslie-Pelecky. Magnetic Studies of Iron Oxide Nanoparticles Coated with Oleic Acid and Pluronic Block

7 Copolymer. Journal of Applied Physics, United States, v. 97, n. 10Q, p. 10Q Q9053, ) Jain, T. K.; MORALES, M. A. ; Sahoo, S. K. ; Leslie-Pelecky, D.; Labhasetwar, V.. Ironoxide Nanoparticles for Sustained Delivery of Anticancer Agents. Molecular Pharmaceutics, United States, v. 2, n. 3, p , Membros dos Grupos de Pesquisa NOME TITULAÇÃO FUNÇÃO PÓS- GRADUAÇÃO BOLSISTA CNPq João Maria Soares Doutor Coordenador UERN Não Marco A. Morales Torres Doutor Vice-Coordenador UERN Não Vamberto Dias de Mello Doutor Pesquisador UERN Não Ana Lúcia Dantas Doutora Pesquisadora UERN Sim/Nível 2 Francisco Odolberto de Araújo Doutor Pesquisador UFERSA Não Milton Morais Xavier Jr. Doutor Pesquisador UFERSA Não Fernando L. A. Machado Doutor Pesquisador UFPE Não Antonio Azevedo da Costa Doutor Pesquisador UFPE Sim/Nível 1C Alexandre Ricalde Rodrigues Doutor Pesquisador UFPE Não Dayane de Souza Chaves Graduada Estudante de Mestrado UERN Não Ana Lucia Gurgel Graduada Estudante de Mestrado UERN Não Ozivam L. de Aquino Conceição Graduando Estudante IC UERN Não Francisco das Chagas S. Sousa Graduando Estudante IC UERN Não

8 4. Mecanismos de Interação Os mecanismos que serão utilizados para interação entre os grupos de pesquisa participantes deste projeto serão: Visitas científicas dos pesquisadores da UERN e da UFERSA aos laboratórios de pesquisa do grupo de Magnetismo de Física da UFPE; Realização de seminários e mini-cursos na UERN, com a participação dos pesquisadores da UFPE, em temas relacionados a presente proposta; Visitas dos estudantes de mestrado da UERN aos laboratórios de pesquisa do grupo de Magnetismo de Física da UFPE para a execução de medidas relacionadas ao seu trabalho de dissertação. 5. Caracterização dos Problemas Esta proposta de pesquisa será dividida em duas partes. Uma delas tem como finalidade principal o desenvolvimento de sensores magnéticos a base do efeito de magnetoimpedância gigante (GMI) utilizando como matéria-prima ferritas magneticamente moles, condutoras e de alta permeabilidade magnética. A outra parte consiste do estudo das propriedades magnéticas de nanofios preparados numa matriz mesoporosa Desenvolvimento de sensores magnéticos a base do efeito de magnetoimpedância gigante Sensores magnéticos têm um papel fundamental na tecnologia moderna. Eles são largamente utilizados em quase todos os setores que engloba engenharia e indústria. Como exemplo, esses sensores são usados em navegação, em uso militar. Segurança, sistemas anti-roubo, pesquisas espaciais, testes não-destrutivos e em medidas biomagnéticas no corpo humano [1-3]. Um largo espectro de sensores magnéticos está disponível. Existem sensores de indução, por efeito Hall, óptico-magnéticos, magnetoresistivos (GMR), etc. Na última

9 década, o desenvolvimento de sensores magnéticos de alta performance foi beneficiado pela descoberta de um novo fenômeno magnético que foi a Magnetoimpedância Gigante (GMI) [4-6], que é o efeito derivado de uma grande variação na impedância ac de um condutor elétrico com uma corrente ac quando submetido a um campo magnético aplicado dc. Tem-se demonstrado que sensores magnéticos baseados no efeito de magnetoimpedância gigante oferecem várias vantagens sobre sensores magnéticos convencionais. O fator decisivo é a ultra-alta sensibilidade dos sensores GMI. Quando comparado com um sensor GMR que tem uma sensibilidade de aproximadamente 1%/Oe, o campo sensitivo de um sensor GMI típico pode alcançar um valor tão elevado como 500%/Oe. Embora o desenvolvimento de sensores GMI esteja ainda numa fase inicial, é provável que os seus baixos custos e a alta flexibilidade sejam decisivos para o amplo alcance na aplicação num futuro próximo. Nos materiais ferromagnéticos atuais, o valor máximo do efeito GMI obtido experimentalmente é muito menor que o valor predito teoricamente. Conseqüentemente, as pesquisas neste campo têm focado principalmente no desenvolvimento de novos materiais e nas técnicas de obtenção desses materiais com o objetivo de melhorar suas propriedades de transporte eletrônico e aumentar o efeito GMI [7-14]. Nos últimos anos temos publicados diversos artigos, nos quais estudamos o efeito de magnetoimpedância gigante em alguns materiais magnéticos, como: fitas amorfas e ligas granulares [15-17]. Também temos trabalhado intensivamente na preparação e caracterização magnética de nanopartículas magnéticas de materiais granulares [18-20], hexaferritas [21,22], manganitas [23], nanocompósitos e ferritas [24,25]. Em todos esses trabalhos nós conseguimos controlar as propriedades magnéticas desses materiais variando o tamanho médio das partículas e sua composição química. Portanto, o grupo já tem experiência consolidada no estudo do efeito GMI, na preparação e caracterização das propriedades microestruturais e magnéticas de sistemas magnéticos.

10 Desses materiais, em particular, o estudo e a preparação de ferritas despertam grande interesse no estudo do efeito GMI, por apresentam características desejáveis para observação deste fenômeno, como: baixa resistividade, magneticamente moles, pequena magnetoestricção e alta permeabilidade magnética. Entretanto, pouquíssimos trabalhos foram reportados na literatura com objetivo de estudar e caracterizar o efeito de GMI em ferritas [26,27]. Assim, um dos problemas abordados nesta proposta de pesquisa é desenvolver materiais nanométricos de ferritas a partir de sínteses química e fazer as caracterizações estruturais, magnéticas e de transporte eletrônico. A nossa finalidade é maximizarmos o efeito GMI nesses materiais; desenvolver modelos teóricos que expliquem os mecanismos que geram o efeito GMI nesses materiais e; propor a fabricação de sensores pra aplicações como: detecção de falhas em dutos de petróleo e localização de corpos estranhos magnéticos no corpo humano. Como exposto anteriormente, a parceria entre estes Grupos de Pesquisa da UERN e da UFPE é importantíssima no desenvolvimento deste problema abordado, pois se de um lado os pesquisadores da UERN têm experiência na preparação de materiais, como as ferritas, do outro os pesquisadores da UFPE têm uma grande competência no estudo do fenômeno de magnetoimpedância gigante. Portanto, o apoio financeiro aportado pelo presente Edital terá uma importância fundamental para a consolidação dessa parceria Estudo das propriedades magnéticas de nanofios preparados numa matriz mesoporosa Materiais mesoporos tipo MCM-41 possuem estrutura dada pelo empacotamento hexagonal de poros cilíndricos. As paredes dos poros é formada por dioxido de silício (SiO 2 ) amorfo. Estes materiais apresentam grande área específica (~1000 m 2.g -1 ), alta porosidade, distribuição estreita de diâmetro dos poros e a possibilidade de funcionalizar a sua superfície, variando assim sua hidrofilicidade/hidrofobicidade. Várias aplicações têm surgido como conseqüência de suas boas características estruturais, estabilidade térmica e biocompatibilidade [28], na literatura são apresentadas várias aplicações, como: moldes para a preparação de

11 nanofios e nanopartículas [29], suporte para catalizadores [30], Nanopartículas usadas como carreadores de fármacos [31], sensores para a detecção de gases [32], cristais fotônicos [33], membranas, dispositivos nanofluídicos, substratos para sensores, etc. Na literatura há muitos exemplos de como preparar filmes mesoporosos com os poros paralelos à superfície do filme, mas há poucas referências de filmes preparados com os poros perpendiculares à superfície do filme. Alguns desses casos correspondem a filmes mesoporosos tipo SBA- usando um campo magnético aplicado perpendicularmente ao plano do substrato [34], o alinhamento das micelas de surfactante na direção do campo magnético é o resultado do compromisso entre a energia de interação das micelas (diamagnéticas) com o campo magnético e a energia térmica. Outro exemplo consiste de filmes mesoporosos MCM- e a água [35]. Como citado anteriormente, os filmes mesoporos podem ser usados para o crescimento de nanofios magnéticos. Se o tamanho dos nanofios for maior que o comprimento de troca magnético, l ex, então a magnetização inverte sua direção de uma maneira incoerente, e o campo de switching é menor que o esperado segundo o modelo da rotação coerente [36]. Aqui l A / M, onde A e M s são a constante de ex S troca e a magnetização de saturação, respectivamente. Entretanto, quando o tamanho de partícula diminui o campo de switching aumenta gradualmente. Para tamanhos de partículas menores que l ex a rotação da magnetização torna-se uniforme e o sistema entra no regime superparamagnético. Os nanofios e as nanopartículas ferromagnéticas apresentam propriedades magnéticas muito interessantes e de grandes aplicações tecnológicas. Dentre dessas destacam-se os dispositivos de armazenamento magnético de alta densidade que permitem atingir o limite de 1 Terabyte por polegada quadrada. A nanolitografia é uma das técnicas mais usadas para produzir sistemas magnéticos nanoestruturados, mas devido a seu alto custo, novos processos vêm sendo desenvolvidos. Alguns destes consistem em usar a auto-organização de surfactantes, copolímeros em micelas e a auto-organização dos poros da alumina

12 anodizada para construir moldes. Esta forma de nanolitografia-natural tem sido usada para produzir moldes de alumina anodizada que permitem preparar nanofios magnéticos de Fe e Co com diâmetros de 11 e 25 nm, respectivamente [37, 38]. Não há, na literatura, registro de trabalhos sobre membranas de alumina anodizada com arranjo regular-homogêneo de poros e com diâmetros menores que 10 nm. Assim, dentro desta proposta de pesquisa, outro problema abordado será a preparação de filmes mesoporosos com diâmetro dos poros variando de 3 a 8 nm, neste caso, a escolha adequada de surfactantes e de polímeros permitirá preparar filmes com poros dos diâmetros indicados. Além disso, serão crescidos nanofios magnéticos de Fe, Fe 3 O 4 -Fe 2 O 3 usando as técnicas de eletrodeposição e de impregnação, considerando as referências [35] e [39]. Um estudo teórico das propriedades magnéticas desses nanofios será feito com um sistema de rotinas baseadas no método de campo local auto-consistente [40]. O método permite incorporar efeitos de temperatura, das dimensões físicas das partículas, bem como da densidade de poros, para investigar as configurações de equilíbrio e excitações magnéticas. As propriedades magnéticas e estruturais locais dos nanofios magnéticos serão estudadas usando a técnica de espectroscopia Mössbauer do 57 Co. As análises dos parâmetros hiperfinos, extraídos dos espectros Mössbauer, permitirão identificar e quantificar a formação das fases de ferro metálico, magnetita e maghemita. Já da análise das áreas relativas dos picos do sexteto estudaremos a orientação da magnetização com relação à direção de incidência da radiação gamma. Se a amostra apresentar comportamento superparamagnético em temperatura ambiente, determinaremos a temperatura de bloqueio magnético Mössbauer (Tb M ) fazendo medidas em função da temperatura. Entretanto, não existe em nenhum dos laboratórios de pesquisa dos grupos de Magnetismo da UERN e da UFPE, envolvidos neste projeto, um espectrômetro Mössbauer que permita a obtenção desses espectros. Assim, a grande parte do aporte financeiro deste Edital será destinada para a aquisição deste equipamento.

13 6. Infra-estrutura das Instituições Participantes As infra-estruturas dos grupos de pesquisa da UERN e da UFPE são descritas a seguir, assim como as necessárias para o desenvolvimento deste projeto Infra-estrutura física da UERN Atualmente o Grupo de Magnetismo da UERN conta a infra-estrutura de 2(dois) laboratórios de pesquisa. O Laboratório de Preparação de Amostras dispõe hoje de vários equipamentos utilizados na síntese de materiais magnéticos, como: agitadores magnéticos, agitador mecânico, banho de ultra-som, destilador de água, deionizador, medidor de ph, prensa hidráulica, estufa, forno mufla e forno tubular. Esses aparelhos, no momento, atendem as necessidades deste laboratório, no entanto, dispomos de poucos reagentes utilizados nas sínteses químicas. Assim, para que possamos preparar com sucesso os materiais utilizados no desenvolvimento deste projeto, será necessária a aquisição de novos reagentes químicos. O Laboratório de Caracterização Estrutural e Magnética da UERN dispõe de dois granulômetros: um Nanotrac da Microtac e SALD-2101 da Shimadzu. O Nanotrac permite a obtenção de distribuição de tamanhos de partículas em pós desde 0,8 nm até 6500 nm. Com o SALD-2101 também obtemos a distribuição de tamanhos, só que adquirido que está sendo instalado neste laboratório é o difratômetro de raios-x, modelo Miniflex II da Rigaku. Este equipamento será de essencial importância na caracterização estrutural dos materiais. Já na parte de caracterização magnética estamos montando um magnetômetro de amostra vibrante, para esse fim estamos adquirindo: um eletroímã com fonte de corrente dc, uma cabeça de vibração, um gaussímetro, um amplificador lock-in e um ciclo fechado de hélio. Para a realização das medidas de GMI em freqüências na região de megahertz será necessário a aquisição de um amplificador lock-in. Para complementar as técnicas de análises magnéticas deste laboratório, servir de ferramenta para análise dos materiais magnéticos que contêm ferro, estudados dentro dos projetos de pesquisa em andamento, supracitados, além de fortalecer a

14 interação entre os grupos envolvidos nesta proposta, solicitamos o financiamento para a aquisição de um espectrômetro Mössbauer. A espectroscopia Mössbauer, por ser uma medida local, permite obter informações das interações elétricas e magnéticas entre o núcleo sonda e sua vizinhança. As informações elétricas (deslocamento isomérico e desdobramento quadrupolar) possibilitam um estudo da simetria da vizinhança em que está inserido o núcleo sonda, assim com o seu estado de oxidação. Da interação magnética Zeeman, pode ser estuda o tipo de ordem magnética e as transições magnéticas. A análise dos parâmetros hiperfinos dos espectros permite identificar e quantificar o teor das fases cristalinas ou amorfas dos materiais em que núcleo sonda esta inserido. Por estas características, este equipamento, o espectrômetro Mössbauer, apresenta um caráter multiusuário e o seu uso pode ser compartilhado por diversos grupos de pesquisa destas instituições e de instituições vizinhas, além de possibilitar a prestação de serviços de análises às empresas de cerâmica que atuam na região do semi-árido Infra-estrutura física da UFPE O Grupo de Magnetismo e Materiais Magnéticos (MMM) do Departamento de Física da UFPE que é um dos mais bem equipados do Brasil e atualmente é um dos Núcleos de Excelência do CNPq. Além de possuir técnicas de produção de materiais (sputtering, forno-a-arco, melt-spinning, sol-gel e Deposição por LASER Pulsado), o grupo conta ainda com várias técnicas de caracterização (Difração de raios-x, microscopia eletrônica, Magnetometria por SQUID, PPMS, magneto-transporte AC e DC, Efeito Hall, medidas de impedância elétrica, magnetometria por amostra vibrante, Efeito Kerr, Espalhamento de luz Brillouin, ressonâncias Ferromagnéticas, entre outras).

15 7. Objetivos e Metas Os objetivos gerais desta proposta de trabalho, são: 1 - produzir ferritas por síntese química para aplicação em sensores magnéticos baseados no efeito de Magnetoimpedância Gigante para aplicações na área biomédica e de petróleo, 2 estudar das propriedades magnéticas de nanofios preparados numa matriz mesoporosa para uso em dispositivos de gravação magnética. Objetivos Específicos: GMI em ferritas 1. Sintetizar pelos métodos de reação por coordenação iônica e micela direta pós nanométricos e monofásicos de ferritas. Para tanto, alguns parâmetros das sínteses deverão ser estudados, tais como: Forma de preparação da solução precursora, relação da solução aquosa/surfactante, tempo e temperatura de calcinação. 2. Caracterizar morfologicamente os pós por diferentes técnicas, como: microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de transmissão (MET) para observação da morfologia (tamanho e forma das nanopartículas e aglomerados), difração de raios-x (DRX) para identificação de fases, determinação do tamanho médio dos cristalitos e parâmetros de rede e, granulometria para determinação da distribuição de tamanhos e do tamanho médio de partículas. 3. Produzir sensores, pela conformação na forma de partilhas ou anel sinterizado. 4. Caracterizar magneticamente os pós e as pastilhas sintetizados. 5. Realizar medidas de impedância elétrica em função da frequência e do campo magnético dc nas pastilhas sintetizadas.

16 Propriedades magnéticas de nanofios 1. Produzir filmes mesoporosos com poros cilíndricos e com distribuição estreita de diâmetros. Usar diversos surfactantes e polimeros para produzir nanoporos com diâmetros de 3 a 8 nm. 2. Produzir nanofios magnéticos usando o volume restrito dos poros do filme mesoporoso. 3. Caracterizar os filmes através das técnicas de difração de raios-x em baixo e alto ângulo; para determinar o parâmetro de rede do sistema poroso, para observar a organização dos poros com relação ao plano do filme, para determinar as fases de ferro presentes nos nanofios, para determinar o tamanho do grão do material magnético. 4. Caracterizar os filmes através da microscopia eletrônica de transmissão, para observar as simetrias do arranjo dos poros e para determinar o diâmetro e comprimento dos nanofios. 5. Caracterizar o magnetismo dos nanfios. Estudar a estrutura local e o magnetismo dos nanofios usando a técnica espectroscopia Mössbauer. 6. Investigar experimentalmente e teoricamente o impacto das dimensões físicas dos nanofios nas propriedades magnéticas, focalizando no efeito da anisotropia dipolar na coercividade. Metas: 1. Avaliar os parâmetros das sínteses utilizadas, para se obter pós nanométricos de ferritas com morfologia e composição química adequadas para testes de GMI. 2. Desenvolver materiais nanométricos, cristalinos e monofásicos pela reação por coordenação iônica e micela direta que resultem em excelente resposta em testes para avaliar o efeito GMI.

17 3. Aprofundar o conhecimento e disseminar conhecimento na produção material nanométrico aplicados a produção sensores magnéticos para aplicações na área biomédica e de petróleo. 4. Desenvolver materiais mesoporosos na forma de filmes com o diâmetro dos poros controlados pela escolha do surfactante/polimero. 5. Desenvolver materiais magnéticos cristalinos na forma de nanofios pelos métodos de impregnação, e electrodeposição e por plasma. 6. Desenvolver modelos teóricos para estudar o comportamento magnético de nanofios. 7. Aumentar a interação científica com outros centros mais avançados na área de magnetismo. 8. Propiciar a transferência dessa tecnologia ao permitir que haja formação de recursos humanos, publicação de artigos e trabalhos em periódicos e eventos nacionais e internacionais. 8. Metodologia As metodologias que serão usadas nesta proposta de pesquisa tanto para o desenvolvimento de sensores magnéticos de ferritas à base do efeito GMI e o crescimento e estudo de nanofios magnéticos de Fe, Fe 3 O 4 -Fe 2 O 3, são descritos a seguir. Revisão da literatura referente ao assunto em estudo Esta atividade será realizada durante toda a execução do projeto, visando à atualização constante em relação ao tema do mesmo, o que permitirá o aperfeiçoamento dos métodos e procedimentos utilizados nos processos que constituem os objetos do presente trabalho GMI em ferritas A obtenção dos pós, sua caracterização por difração de raios-x e granulometria será desenvolvida no Departamento de Física (DF) da UERN. As caracterizações

18 morfológicas por Microscopia Eletrônica de Varredura será realizada no Departamento de Física da UFPE e por Microscopia Eletrônica de Transmissão será feita no CETENE, localizado em Recife. As medidas magnéticas e de transporte elétrico serão realizadas nos Departamentos de Física da UERN e da UFPE. Síntese das amostras Serão sintetizados ferritas utilizando a síntese pelo método de reação por coordenação iônica e micela normal. Os precursores utilizados serão todos de alta pureza. Caracterização dos pós obtidos Esta atividade consistirá das seguintes medidas: microscopia eletrônica de varredura e microscopia eletrônica de transmissão para observação da morfologia (tamanho e forma das nanopartículas e aglomerados), difração de raios-x (DRX) para identificação de fases, determinação do tamanho médio dos cristalitos e parâmetros de rede e, granulometria para determinação da distribuição de tamanhos e do tamanho médio de partículas. Produção dos sensores Esta etapa consistirá no estudo da melhor forma de sinterização do material para efetuar as medidas magnéticas e de transporte eletrônico. Caracterização magnética e transporte eletrônico Esta etapa do trabalho consiste da caracterização magnética dos pós e das pastilhas, usando um Magnetômetro de Amostra Vibrante e um Espectrômetro Mössbauer. A outra parte desta etapa serão as medidas de impedância elétrica versus freqüência e campo magnético dc, usando o método das quatro pontas. Testes dos sensores em escala piloto Nesta etapa serão construídos alguns protótipos dos sensores magnéticos e testada a sua eficiência.

19 Elaboração de relatórios e artigos científicos Serão elaborados relatórios parciais semestrais de acompanhamento do projeto e um relatório final do mesmo. Os resultados de maior relevância do projeto deverão ser documentados em publicações em periódicos nacionais e internacionais e congressos importantes na área Nanofios magnéticos Síntese das amostras Os filmes mesoporosos serão preparados usando surfactantes ionicos e não ionicos tipo CTABr, Pluronic 127, Twen80, etc. Para formar as paredes dos poros usaremos o reagente Na2SiO3. Os nanofios magnéticos serão preparados usando os métodos da impregnação, de electrodeposição. Caracterização magnética A caracterização magnética será feita usando as técnicas de magnetometria tipo VSM, SQUID e Espectroscopia Mössbauer. Caracterização estrutural Serão feitas medidas de difraçlão de raios-x em baixo e alto ângulo, as medidas de baixo ângulo permitirão caracterizar o filme mesoporoso e através das medidas em alto ângulo estudaremos as fases de Fe presentes nos nanofios magnéticos assim como a formação das paredes dos poros que devera ser de SiO 2 amorfo. Elaboração de relatórios e artigos científicos Serão elaborados relatórios parciais semestrais de acompanhamento do projeto e um relatório final do mesmo. Os resultados deste projeto deverão ser publicados em periódicos nacionais e internacionais em proceedings de congressos na área.

20 9. Cronograma de execução ATIVIDADES Bimestres Levantamento bibliográfico x x x x x x x x x x x x Síntese das amostras x x x x x x x x Caracterização Morfológica dos pós e dos nanofios Caracterização magnética dos pós e dos nanofios Compactação e sinterização das amostras Caracterização microestrutural das amostras sinterizadas Caracterização magnética das amostras sinterizadas x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Elaboração de relatórios x x x x Elaboração de artigos para congresso e periódicos relevantes na área x x x x x x x

21 10. Orçamento Previsto DESPESAS DE CUSTEIO Diárias: Nacionais (participação em conferências Nacionais e visitas científicas): UERN: 20 diárias UFPE: 20 diárias 40 diárias a um valor unitário de R$ 187,83 (segundo tabela do CNPq) Total: R$ 7.513,20 Internacionais (uma viagem anual para participação em conferência internacional): UERN: 10 diárias UFPE: 10 diárias 20 diárias a um valor unitário de US$ 220,00 (câmbio US$ 1 = R$ 2,00) Total: R$ 8.800,00 Total Geral de Diárias: R$ , Passagens: Nacionais (participação em conferências nacionais): UERN: 8 passagens UFPE: 8 passagens 16 passagens nacionais um valor unitário de R$ 1.000,00 Total: R$ ,00

22 Internacionais (participação em conferências internacionais): UERN: 4 passagens UFPE: 4 passagens 8 passagens internacionais a um valor unitário de US$ (câmbio US$ 1 = R$ 2,00) Total: R$ ,00 Total Geral de Passagens: R$ , Material de Consumo: gases especiais (N 2, H 2, O 2, He, Ar), componentes eletrônicos, reagentes químicos para preparação de materiais, grades para microscopia UERN: R$ ,00 UFPE: R$ ,80 Total Geral de Material de Consumo: R$ , Serviços pessoa Jurídica: pequenas obras, manutenção de equipamentos e instalações diversas UERN: R$ ,00 UFPE: R$ ,00 Total Geral de Serviços pessoa Jurídica: R$ , Serviços pessoa Física: serviços de marcenaria e mecânica UERN: R$ 5.000,00 UFPE: R$ 5.000,00

23 Total Geral de Serviços pessoa Jurídica: R$ , Taxa de importação Importação dos equipamentos: Espectrometro Mössbauer e Amplificador Lock-in Total Geral de Taxa de importação: R$ ,00 TOTAL GERAL DAS DESPESAS DE CUSTEIO: R$ , DESPESAS DE CAPITAL: Espectrometro Mössbauer com sistema de baixa temperatura (UERN) Possibilitar a obtenção de espectros Mössbauer das ferritas e dos nanofios, em temperatura ambiente e baixa temperatura Total: R$ , Amplificador Lock-in Possibilitar as medidas de GMI na UERN Total: R$ ,00 TOTAL GERAL DAS DESPESAS DE CAPITAL: R$ ,00 TOTAL GERAL DA PROPOSTA (CUSTEIO + CAPITAL): R$ ,00

24 11. Resultados Esperados 1. Otimizar o processo de preparação de nanopartículas de ferritas para o desenvolvimento de sensores magnéticos. 2. Desenvolver um modelo teórico que descreva o efeito GMI em ferritas. 3. Artigos para publicações em periódicos nacionais e internacionais da área de magnetismo e ciência dos materiais. 4. Formação de recursos humanos com alunos de mestrado e de iniciação científica neste projeto, de alta qualidade na área de Física de Magnetismo e Materiais Magnéticos. 5. Depósito de patente dos novos processos de preparação desses materiais. Referências Bibliográficas 1. Lenz, J. E. A review of magnetic sensors. Proc. IEEE, v. 78, p , Meydan, T. Application of amorphous materials to sensors. J. Magn. Magn. Mater., v. 133, p , Ripka, P. Magnetic sensors and magnetometers. Artech House Publishers; Machado, F. L. A. ; Martins, C. S. ; Rezende, S. M.. Giant Magneto-Impedance in the Ferromagnet Co 70-x Fe x Si 15 B 10 Alloys. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, v. 15, p , Panina, L. V. ; Mohri, K. Magneto-impedance effect in amorphous wires. Appl Phys Lett, v. 65, p , Panina, L. V.; Mohri, K.; Uchiyama, T.; Noda, M.. Giant magneto-impedance in Corich amorphous wires and films. IEEE Trans. Magn., v. 31, p , Vazquez, M.; Hernando, A. A soft magnetic wire for sensor applications. J Phys D: Appl Phys, v. 29, p , 1996.

25 8. Chiriac, H.; Ovari, T. A.. Amorphous glass-covered magnetic wires: preparation, properties, applications. Prog. Mater. Sci., v. 40, p , Vazquez, M.. J. Magn. Magn. Mater., v , p , Knobel, M.; Pirota, K. R.. Giant magnetoimpedance: concepts and recent progress. J. Magn. Magn. Mater., v , p , Knobel, M.; Vazquez, M.; Kraus, L.. Giant magnetoimpedance. In: Buschow KH, editor. Handbook of magnetic materials, vol. 15. Amsterdam: Elsevier Science B.V.; p [Chapter 5], Kraus, L.. GMI modeling and material optimization. Sens Acta A, v. 106, p , Tannous, C.; Gieraltowski, J.. Giant magneto-impedance and its applications. J Mater Sci: Mater Electro, v. 15, p , Phan, M.-H.; Peng, H.-X.. Giant magnetoimpedance materials: Fundamentals and applications. Prog. Mat. Sci., v. 53, p , GONCALVES, L. A. P. ; SOARES, J. M. ; MACHADO, F. L. A. ; RODRIGUES, A. R.. Hall and giant magnetoimpedance effects in the Co70Fe5Si15B10 metallic glass. Journal of Non-Crystalline Solids, v. 352, p , GONCALVES, L. A. P. ; SOARES, J. M. ; MACHADO, F. L. A. ; AZEVEDO, W. M.. GMI effect in the low magnetostrictive Co70Fe5Si15B10 alloys. Physica. B, Condensed Matter, v. 384, p , SOARES, J. M. ; ARAÚJO, J. H. ; CABRAL, F. A. O. ; DUMELOW, T. ; MACHADO, F. L. A.; ARAÚJO, A. E. P.. Giant magnetoimpedance in FeAg granular alloys. Applied Physics Letters, v. 80, p , SOARES, J. M. ; DEARAUJO, J ; CABRAL, F ; MACHADO, F ; DUMELOW, T ; XAVIERJR, M ; SASAKI, J. Particle size distribution in FeAg granular alloy. Journal of Non- Crystalline Solids, (em impressão)

26 19. SOARES, J. M. ; MACHADO, F. L. A. ; ARAÚJO, J. H. ; CABRAL, F. A. O. ; GINANI, M. F.. Fe interpaticle interactions in FexAg100-x granular alloys (2<x<50). Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, v. 72, n. 18, p , SOARES, J. M. ; ARAÚJO, J. H. ; CABRAL, F. A. O. ; DUMELOW, T. ; XAVIER JR, M. M. ; SASAKI, J. M.. Magnetic properties of the granular alloy Fe10Ag90 as a function of annealing temperature. Materials Research, São Carlos SP, v. 8, n. 3, p , SOARES, J. M. ; MACHADO, F. L. A. ; ARAÚJO, J. H. ; CABRAL, F. A. O. ; GINANI, M. F.. Magnetic properties of BaFe12O19 prepared by an ICR technique. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, v. 310, p , SOARES, J. M. ; MACHADO, F. L. A. ; ARAÚJO, J. H. ; CABRAL, F. A. O. ; RODRIGUES, H. A. B. ; GINANI, M. F.. Anisotropy field and transverse susceptibility in nanocrystalline hexaferrites. Physica. B, Condensed Matter, v. 384, p , MOREIRA, M. L. ; SOARES, J. M. ; AZEVEDO, W. M. ; RODRIGUES, A. R. ; MACHADO, F. L. A. ; ARAÚJO, J. H.. Structural and magnetic properties of nanoparticles of La2/3Sr1/3MnO3. Physica. B, Condensed Matter, v. 384, p , CABRAL, F. A. O. ; MACHADO, F. L. A. ; ARAÚJO, J. H. ; SOARES, J. M. ; RODRIGUES, A. R. ; A. Araújo. Preparation and Magnetic Study of the CoFe2O4-CoFe2 Nanocomposite Powders. IEEE Transactions on Magnetics, (em impressão) 25. BORGES, F. M. M. ; MELO, D. M. A. ; CAMARA, M. S. A. ; MARTINELLI, A. E. ; SOARES, J. M. ; ARAÚJO, J. H. ; CABRAL, F. A. O.. Magnetic behavior of nanocrystalline MnCo2O4 spinels. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, v. 302, n. 2, p , Fu, C.M.; Hsu, C.Y.; Chao, Y.C.; Kim, D.S.; Matsushita, N.; Abe, M. Tunnel magnetoimpedance effect of the ZnNi-ferrite encapsulated NiFe micropsheres. J Magn Magn Mater, v , p. e , Hu, J.; Qin, H.; Qi, G.; Jiang, M. Giant magnetoimpedance in a MnZn ferrite. J Magn Magn Mater, v. 302, p , Chang, J.S., Chang, K.L., Hwang, D.F., Kong, Z.L. Environ. Sci. Technol. 41, 2064, 2007.

27 29. Andrei A. Eliseev, Kirill S. Napolskii, Alexei V. Lukashin, Yuri D. Tretyakov, J. Mag. Mag. Mat , , SELVARAJ, M.; PANDURANGAN, A.; SESHADRI, K. S.; SINHÁ, P. K.; LAL, K. B. Applied Catalysis A: General, v.242, p , Lubbe, A. S., Alexiou, C., Bergermann, C. J. Surg. Res. 95, 200, Nam, J. M., Park, S., Mirkin, C. A. J. Amer. Chem. Soc. 124, 3820, Satoru Fujita, Hideyuki Nakano, Masahiko Ishii, Hiroshi Nakamura, Shinji Inagaki Microporous and Mesoporous Materials 96, , Yamauchi, Y.; Sawada, M.; Noma, T.; Ito, H.; Furumi, S.; Sakka, Y.; Kuroda, K. J. Mater. Chem. 15, 1137, Metzger R M, Konovalov V V, Sun M, Xu T, Zangari G, Xu B, Benakli M and Doyle W.D. IEEE Trans. Magn. 36, 30, E.C. Stoner, E.P. Wohlfarth, Philos. Trans. R. Soc. London A 240, 599, Aranda P and Garcia J. M., J. Magn. Magn. Mater. 249, 214, L. Faget et al.thin Solid Films 386, 6-13, A.L.Dantas ; Camley, R. E. ; Carriço, A. S. Thermal hysteresis of interface biased ferromagnetic dots. J. Appl. Phys.75, , A.L.Dantas ; Rebouças, G. O. G. ; Silva, André S. W. T. ; Carriço, A. S.. Interface Roughness Effects on Coercivity and Exchange Bias. Journal of Applied Physics, v. 97, p , 2005.