Superparamagnetismo
Il superparamagnetismo è una forma di magnetismo che si manifesta in nanoparticelle ferromagnetiche o ferrimagnetiche. Il concetto di superparamagnetismo dei materiali magnetici nella scala nanometrica fu proposto per la prima volta da Yakov Frenkel e Doefman nel 1930 che predissero che le nanoparticelle realizzate con materiali magnetici avrebbero mostrato proprietà superparamagnetiche.
Il superparamagnetismo si osserva solo quando la dimensione e il numero di domini, in un materiale magnetico, sono entrambi sufficientemente piccoli e generalmente si verifica in particelle tra 10 nm e 150 nm di diametro a seconda del materiale.
Il superparamagnetismo è il risultato dovuto all’effetto competitivo tra l’energia magnetica che cerca di allineare i momenti magnetici delle particelle con il campo applicato e le fluttuazioni termiche che tendono a smagnetizzarle.
Domini magnetici e superparamagnetismo
Il superparamagnetismo è associato alla dipendenza della struttura dei domini magnetici dalle dimensioni del materiale. Qualsiasi materiale che mostra ferromagnetismo o ferrimagnetismo al di sotto del suo punto di Curie contiene piccole regioni in cui esiste un allineamento reciproco di tutti i momenti di dipolo magnetico nella stessa direzione. Questa regione è nota come dominio magnetico che differisce dagli altri nella direzione dell’allineamento dei momenti magnetici.
I domini all’interno di un materiale sono separati da confini noti come pareti di dominio, attraverso i quali la direzione della magnetizzazione varia gradualmente. In un materiale non magnetizzato, la somma ponderata dei vettori di magnetizzazione di tutti i domini è zero e il materiale non ha magnetizzazione netta.
Quando il volume del materiale magnetico diminuisce fino alla scala nanometrica, la dimensione tipica del dominio e la larghezza delle interfacce parete-dominio sono ridotte, con conseguente modificazione della struttura interna.
L’energia necessaria per la creazione di un’interfaccia parete-dominio in particelle con volumi inferiori a un dato valore critico è maggiore della corrispondente riduzione dell’energia magnetostatica. In questo confine, non si verifica alcuna divisione in domini più piccoli e viene mantenuta la struttura magnetica di un singolo dominio.
Per le particelle sferiche, il diametro critico al di sopra del quale il materiale può essere considerato un sistema a dominio singolo è dell’ordine di 10–20 nm. Il comportamento magnetico di un sistema a dominio singolo è caratterizzato dall’allineamento reciproco dei momenti atomici lungo la direzione dell’asse preferenziale di magnetizzazione, creando un grande momento magnetico.
In questo tipo di magnetismo, i momenti magnetici delle particelle si comportano in modo simile a un sistema paramagnetico, sebbene con un momento totale di una grandezza molto maggiore rispetto a quello dei singoli atomi e ciò ha dato origine al termine superparamagnetismo.
Superparamagnetismo e teoria del rilassamento di Néel
La teoria del rilassamento di Néel sviluppata dal fisico francese Louis Néel nel 1949 spiega i fenomeni magnetici dipendenti dal tempo come avviene in nanoparticelle sufficientemente piccole in cui la magnetizzazione può cambiare direzione in modo casuale sotto l’influenza della temperatura dando luogo al fenomeno del superparamagnetismo.
Il tempo di rilassamento tipico, che corrisponde al tempo medio impiegato dal momento magnetico per riorientarsi rispetto all’asse preferenziale per un sistema di particelle monodominio che non interagiscono tra loro, è stato calcolato ed è noto come tempo di rilassamento di Néel τN dato da:
τN = τo eKV/kt
dove il valore di τo varia tipicamente da 10-11 a 10-9 s, k è la costante di Boltzmann (8.7 · 10-5 eV/Kelvin), K è la costante di anisotropia magnetica effettiva e V è il volume delle particelle.
In assenza di un campo magnetico esterno, quando il tempo utilizzato per misurare la magnetizzazione delle nanoparticelle è molto più lungo del tempo di rilassamento di Néel, il loro valore medio di magnetizzazione sembra essere zero: si dice che tali particelle mostrano superparamagnetismo. In questo stato, un campo magnetico esterno è in grado di magnetizzare le nanoparticelle, in modo simile a un paramagnete sebbene a loro suscettività magnetica è molto più grande di quella dei paramagneti.
Applicazioni delle nanoparticelle superparamagnetiche
Negli ultimi decenni, le nanoparticelle che esibiscono superparamagnetismo ingegnerizzate hanno attirato l’attenzione della ricerca per la loro ampia gamma di applicazioni basate sulle loro dimensioni e forme regolabili, sulle loro proprietà chimiche superficiali e magnetiche.
Le nanoparticelle magnetiche altamente uniformi con varie dimensioni, composizione e forma possono essere regolate con precisione da parametri di reazione controllati, come i precursori iniziali, la velocità di riscaldamento, la temperatura di reazione finale, il tempo di reazione e gli additivi.
Proprietà interessanti delle nanoparticelle superparamagnetiche sono il loro breve tempo di rilassamento, e il fatto che sotto l’effetto di un campo magnetico esterno alternato, i loro momenti magnetici sono rapidamente riorientati in modo che i cambiamenti nella frequenza e nell’intensità del campo magnetico portino a una perdita di potenza che riscalda l’ambiente circostante.
Le proprietà delle nanoparticelle che mostrano superparamagnetismo hanno trovato numerose applicazioni nel campo biomedico, come la riparazione dei tessuti tramite riscaldamento locale, la detossificazione dei fluidi biologici, la somministrazione di farmaci o geni controllata magneticamente e come agenti di contrasto nella risonanza magnetica per immagini. Combinate con farmaci o geni, queste nanoparticelle possono modificare i processi di trascrizione nelle cellule, il che le rende interessanti per l’industria farmaceutica, la biologia cellulare e la diagnostica.
Le nanoparticelle superparamagnetiche hanno infatti attirato l’interesse per varie applicazioni biomediche grazie al loro comportamento magnetico unico, all’eccellente biocompatibilità, alla facile modifica della superficie, alle loro dimensioni paragonabili alle molecole biologiche e al basso costo. Le nanoparticelle magnetiche basate su ossido di ferro, (SPION) in particolare magnetite sono state studiate come sonde sensibili per l’imaging a risonanza magnetica e applicazioni terapeutiche.
Grazie all’eccezionale tecnologia di etichettatura e imaging molecolare degli SPION, i ricercatori possono tracciare le cellule trapiantate per lungo tempo attraverso metodi non invasivi per valutare ulteriormente il comportamento biologico delle cellule impiantate nel corpo. Questo metodo può fornire informazioni importanti rispetto all’efficacia terapeutica delle cellule, nonché alla sicurezza della terapia.
Un’altra applicazione in cui le nanoparticelle che presentano superparamagnetismo potrebbero essere utilizzate è la rimozione magnetica di sostanze pericolose dall’acqua, sostituendo i complessi sistemi di filtraggio attualmente in uso.
La contaminazione dell’acqua con metalli pesanti è diventata una preoccupazione importante al giorno d’oggi che richiede la necessità di tecniche efficaci e flessibili per la bonifica dell’acqua. Negli ultimi anni, gli adsorbenti a base di nanoparticelle di ossido di ferro superparamagnetismo e i loro compositi hanno raccolto notevole attenzione per il loro potenziale di adsorbimento verso gli ioni di metalli pesanti in un mezzo acquoso.
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il 4 Febbraio 2025