O universo nano ao seu alcance

jul 3

Entenda as nanopartículas superparamagnéticas

    Em diversas práticas publicadas no Olhar Nano, nos referimos a nanopartículas de magnetita. Nessas práticas, aprendemoz a sintetizar tais nanopartículas e utilizá-las (Por exemplo, na obtenção de "ferro fluido"). Nessas práticas,por diversas vezes, nos referimso às nanopartículas de magnetita como nanopartículas superparamagnéticas. Entretanto, esse conceito foge bastantedo senso comum e procuraremos explicar, nesse artigo, o seu significado.

    Inicialmente devemos lembrar que materiais magnéticos são empregados desde tempos antigos em diversos utensíveis e equipamentos utilizados pelo homem, indo desde a antiga bússula até modernas técnicas de diagnóstico médico.. Alguns exemplos são dados pela Figura 1.

Figura 1. Exemplos de aplicações da tecnologia magnética

    Entretanto, nem todos os materiais comportam-se da mesma maneira quando submetidos a campos magnéticos. Assim os materiais podem ser classificados como:

  • Materiais paramagnéticos: são materiais que possuem susceptibilidade magnética maior que zero e permeabilidade magnética maior que 1. Isso significa que eles facilitam a passagem de campo magnético através de si, sendo atraídos por campos magnéticos. São constituídos por espécies (Moleculares ou iônicas) contendo elétrons desemparelhados.
  • Materiais diamagnéticos: são materiais que possuem susceptibilidade magnética menor que zero e permeabilidade magnética menor que 1. Em consequencia, esse tipo d ematerial dificulta a passagem de campo magnético e, quando submetidos a um campo, são repelidos. São constituídos por espécies que não apresentam elétrons desemparelhados.
  • Materiais Ferromagnéticos: São materiais com susceptibilidade magnética bem maior que zero e permeabilidade magnética bem maior que 1. Esse tipo de material possui um alinhamento paralelo dos domínios magnéticos e é fortemente atraído por campos magnéticos.
  • Materiais Antiferromagnéticos: São materiais que possuem alinhamento antiparalelo dos domínios magnéticos com resultante nula.
  • Materiais Ferrimagnéticos: São materiais que possuem alinhamento antiparalelo dos domínios magnéticos mas que, diferentemente dos materiais ferromagnéticos, aprersentam resultante diferente de zero, sendo atraídos por campos magnéticos.

​    Quando falamos em momento magnético ou dipolo magnético, estamos nos referindo a uma região onde os spins das espécies constituintes do material estão alinhados em uma única direção, como se aquela região fosse um pequenino ímã. 

   A magnetita (Fe3O4) possui um arranjo cristalino (Estrutura do espinélio invertido) tal que o alinhamento dos spins atômicos é antiparalelo com momento resultante diferente de zero (Alinhamento ferrimagnético), conforme demonstrado na Figura 2

Figura 2. Acoplamento de spin ferrimagnético que ocorre na magnetita

 

    A magnetita pertence à um grupo de substâncias classificado como Ferritas. Existem diversas Ferritas, com aplicações distintas, mas todas baseadas em interações com campos magnéticos:

   

   Conforme dissemos antes, os domínios magnéticos são pequenas porções do material onde os spins dos elétrons encontram-se acoplados numa mesma direção, gerando um único momento magnético não nulo, comos e fosse um pequeno ímã. Entretanto, em um material macroscópico ou mesmo microscópico (Exceto nos materiais ferromagnéticos) não existe apenas um domínio magnético, mas diversos. Porém, ao se reduzir as dimensões do material, chega-se a um tamanho crítico onde o material em questão passa a ser constituído de apenas um domínio magnético (Monodomínio) conforme visto na Figura 3. Esse tamanho crítico está justamente na nanoescalda para a maioria dos materiais, como a magnetita.

   

Figura 3. Formação de monodomínios magnéticos em função da redução de tamanho do material


    O diâmetro crítico para se obter partículas com monodomínios magnéticos, considerando partículas esféricas, pode ser calculado através da equação:

    Onde dcr é o diâmetro crítico, A é uma constante relacionada à integral de troca, Ka é a constante de anisotropia uniaxial e Ms é a magnetização de saturação da partícula magnética.

    Para a magnetita, o valor do diâmetro crítico equivale a 128nm. Após atingir essa dimensão, podemos dizer que as nanopartículas de magnetita possuem monodomínios magnéticos.

    Por fim, as nanopartículas de magnetita serão atraídas por campos magnéticos, mas não como um ímã convencional; eles exibem comportamento superparamagnético.  Isso significa que elas são atraídas fortemente por um campo magnético, mas, assim que esse campo é removido, sua magnetização é reduzida a zero, não apresentando magnetização residual, como em utensílios de ferro metálico. Essa observação pode ser explicada em função da energia potencial apresentada por uma partícula superparamagnética quando essa partícula sofre açaõ de um campo magnético; existem dois alinhamentos de momento magnético das nanopartículas que levam a um estado de mínima energia. Essa energia é a energia de anisotropia uniaxial, calculada em função do eixo de fácil magnetização. Uma partícula superparamagnética gira seu momento magnético para alinhar-se ao campo (Sendo submetida a um torque) assumindo a posição de menor energia. Entretanto, assim que esse campo deixa de atuar (É retirado), flutuações térmicas fazem com que a partícula superparamagnética oscile entre os estados, leando sua magnetização a zero e estando pronta para um novo ciclo, assim que o campo magnético voltar a atuar sobre ela. A Figura 4 resume o que foi dito nesse parágrafo.

Figura 3. Comportamento da partícula superparamagnética

 

    REFERÊNCIAS

  • Science and Technology of Nanostructured Magnetic Materials, Ed. G.C. Hadjipanayis and G.A. Prinz, v. 259 - NATO Advanced Study Institute, Series B:
  • Physics; Plenum Press: New York, 1991. Magnetic properties of fine particles, editado por J. L. Dormann e D. Fiorani,North-Holland, Amsterdam, 1992.
  • M. N. Baibich et al., Phys. Rev. Lett., 61 (1988) 2742.
 

 

Olhar Nano