Nanomagnetismo Elis Helena de Campos Pinto Sinnecker

Transcrição

1 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 elis@if.ufrj.br

2 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 Eugene Wang (1999) 2

3 Viagem pelas dimensões Ø Limite do universo conhecido Ø Grande aglomerados de galáxias m Ø Via Láctea Ø anos luz de diâmetro POWERS OF TEN

4 Viagem pelas dimensões Ø A Via Láctea Ø estrelas m

5 Viagem pelas dimensões Ø Detalhes da Via Láctea Ø 1/3 das galáxias tem forma espiral m

6 Viagem pelas dimensões Ø Órbitas dos planetas m

7 Viagem pelas dimensões Ø Sistema Solar m

8 Viagem pelas dimensões Ø Terra e Lua 10 9 m

9 Viagem pelas dimensões Ø A TERRA Ø Diâmetro equatorial ,2 km 10 8 m

10 Viagem pelas dimensões Ø Continentes 10 7 m

11 Viagem pelas dimensões Ø Cidade 10 4 m

12 Viagem pelas dimensões Ø Flores 10 0 m= 1m

13 Viagem pelas dimensões Ø Detalhes de insetos 10-2 m = 1 cm

14 Viagem pelas dimensões Ø Detalhe do olho do inseto Ø pólem das plantas 10-3 m = 1 mm

15 Viagem pelas dimensões Ø Detalhe do pólem 10-4 m = 0.1 mm

16 Viagem pelas dimensões Ø Célula Branca - linfócito 10-5 m = 0.01 mm

17 Viagem pelas dimensões Ø Membrana do núcleo de uma célula 10-6 m = 1 µm

18 Viagem pelas dimensões Ø Estrutura enovelada do DNA 10-7 m = 0.1 µm

19 Viagem pelas dimensões Ø Estrutura do DNA 10-8 m = 0.01 µm

20 Viagem pelas dimensões Ø Molécula de DNA Ø O NANÔMETRO!!! Ø Estrutura Atômica 10-9 m = 1 nm

21 A escala nano Novos fenômenos em objetos com nanômetros 21

22 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. Dick Tracy 1935 A nação que dominar o magnetismo dominará o mundo. X-Men Magneto

23 Nanomagnetismo? É o estudo dos sistemas magnéticos que têm pelo menos uma dimensão na escala de nanômetros: - partículas - filmes finos - fios, etc

24 Nanomagnetismo - Origem do magnetismo - Tipos de magnetismo - Ferromagnetismo - Domínios magnéticos - Nanopartículas magnéticas - Aplicações: - Gravação magnética - Separação magnética - Biomédicas

25 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

26 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.

27 Ferromagnetismo momento de dipolo Paramagneto Ferromagneto

28 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

29 Por que o nanomagnetismo é diferente do magnetismo macroscópico? Maior proporção de átomos superficiais

30 Por que o nanomagnetismo é diferente do magnetismo macroscópico? Proporção de átomos na superfície de um cubo Número de átomos em cada aresta Número de átomos na superfície Número total de átomos Relação átomos na superfície/total (%) , , X10 6 5, X10 6 1X10 9 0,6

31 Domínios magnéticos: tamanho crítico Abaixo de um tamanho crítico a amostra é um monodomínio Instabilidade térmica: Superparamagnetismo Comprimento Valor típico (nm) Tamanho de domínio Largura de parede de domínio Alcance da interação de troca Distância para inversão do spin do elétron

32 Superparamagnetismo Ø Partícula pequena multi-domínio Ø Partícula pequena mono-domínio (bloqueado) direção fácil Diminuindo D Ø Partícula superparamagnética rotação livre dos momentos devido à desordem térmica Átomos de Co M=N x 1.64µ Β N: 1000 átoms. Superparamagneto Ø Momento das partículas rigidamente alinhados 3nm Ø Rotação Coerente de µ

33 Magnetoresistência Gigante - GMR Albert Fert e Peter Grünberg, Prêmio Nobel 2007, pelos estudos com a MRG

34 Aplicações de materiais magnéticos

35 Gravação Magnética

36 Avanços Tecnológicos Tinta marrom contendo óxido de ferro Filme fino magnético.

37 Materiais magnéticos em um HD Discos de metal ou plástico recobertos com material magnético que giram sob a ação de um motor elétrico. Capacidade depende do n o 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. Arquivos registrados nos discos como áreas magneticamente codificadas. 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.

38 Os 3 elementos da gravação magnética

39 Gravação Magnética Gbits/in 2 bit diminui para dimensões sub-micromética N/bit cte Ø diâmetro do grão do meio magnético deve diminuir Ø cresce instabilidade térmica: Limite Superparamagnético

40 Superparamagnetismo

41 Contornando o Superparamagnetismo

42 Leitura de dados Ø Hard disk drive (IBM) Ø GMR Sensor (IBM)

43 Cabeça de gravação indutiva

44 Leitura de dados com GMR

45 Leitura de dados com GMR

46 Qual a quantidade de informaçãp? Magnético 92% Filme 7,6% Papel e ótico 0,03% Bit (b) 1 or 0 Byte (B) 8 bits Kilobyte (kb) 1,000 bytes Megabyte (MB) 1,000 kb Gigabyte (GB) 1,000 MB Terabyte (TB) 1,000 GB Petabyte (PB) 1,000 TB Exabyte (EB) 1,000 PB ZePabyte (ZB) 1,000 EB 2 kb = 2x10 3 bytes uma página escrita 5 MB = 5X10 6 bytes toda a obra de Shakespeare 10 TB = 10X10 12 bytes Biblioteca do Congresso dos EUA (apenas os textos)

47 Fluidos Magnéticos Nanoestruturados

48 Fluídos Suspenções Coloidais Suspenção Coloidal MOLHO Béarnaise Vinagre Manteiga

49 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

50 Mais sobre pequenas partículas

51 Fluídos Magnéticos - Ferrofluidos Ausência de campo distribuição aleatória dos momentos magnéticos Presença de campo alinhamento das partículas ao longo das linhas de campo

52 Magnetoviscosidade Ø limitação da rotação livre das partículas devido ao campo magnético Ø efeito anisotrópico Ø eixo de magnetização em relação ao campo

53 Fluidos Magneto-Reológico Ø O fluido muda de líquido para sólido com a aplicação de campo magnético Ø Reversível Ø Aplicações: Suspensão automotiva

54 Fluídos Magnéticos - Ferrofluidos Despoluição Ambiental Ø ferrofluido com base líquida em óleo (PETRÓLEO) Ø polímero esférico poroso Ø impregnado com pequenas partículas magnéticas Ø forma ferrofluido MENOS denso que a água Ø utilização em derramamento acidental de óleo Ø possibilidade de separação magnética posterior Ø reutilização das partículas

55 Fluídos Magnéticos - Ferrofluidos Despoluição Ambiental Ø ferrofluido com base líquida em óleo (PETRÓLEO) Ø polímero esférico poroso Ø impregnado com pequenas partículas magnéticas Ø forma ferrofluido MENOS denso que a água Ø utilização em derramamento acidental de óleo Ø possibilidade de separação magnética posterior Ø reutilização das partículas

56 Nanopartículas: aplicações biomédicas

57 Nanopartículas - Aplicações Biomédicas Ø Ferrofluidos Biocompatíveis Ø tratamento localizado - câncer biocompatível

58 Nanopartículas - Aplicações Biomédicas Partículas para contraste em Ressonância Magnética Partículas para o transporte de fármacos Partículas para hipertermia (tratamento térmico local) 58

59 Nanopartículas - Aplicações Biomédicas

60 Nanopartículas - Aplicações Biomédicas

61 Nanopartículas - Aplicações Biomédicas

62 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

63 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

64 Nanopartículas - Aplicações Biomédicas Marcação de células Ø Pequenas partículas de Fe 3 O 4 (10 nm - micron) Ø Recobertas com proteínas ou outro material. Ø Adição de anticorpos específicos adere à substância que se deseja identificar

65 Nanopartículas - Aplicações Biomédicas Hipertermia: Tratamento de células cancerígenas por aquecimento

66 Nanopartículas em seres vivos Alinhamento com campo magnético Bactéria com cristais de material ferromagnético Bico de pombo mostrando pontos contendo regiões com Fe 3+ (~µm) (Hanzlik et al. 2000) 1-66

67 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".

68 Bactéria Magnetostática Ø A natureza magnética: pequenas partículas magnéticas (nm) no interior das bactérias Ø Magnetita: Fe 3 O 4 Ø Cadeias de partículas Ø Reagem ao campo como uma bússola Ø Alinhamento paralelo ao campo magnético da Terra.

69 FIM Ø Novas Aplicações!!! Ø Novas idéias!!! Ø...futuro promissor? Ø Implicações?