Nanopartículas de ferrita estabilizadas o encapsuladas en matricessíntesis y comportamiento magnético

Resumen

Las ferritas tipo espinela en la escala nanométrica han sido materiales magnéticos muy estudiados, debido a las inusuales propiedades químicas y físicas que presentan en comparación con sus análogos de mayor tamaño de partícula, lo que hace que sean potenciales candidatos para su utilización en múltiples aplicaciones tales como la tecnología de ferrofluídos, catálisis, como agentes descontaminantes o en aplicaciones biomédicas. Las propiedades magnéticas de las nanopartículas de ferrita espinela se deben a los efectos de tamaño y efectos de superficie. Uno de los efectos de tamaño más importante es el fenómeno del superparamagnetismo, que ocurre por encima de la denominada temperatura de bloqueo. Estas partículas presentan una capa de espines canteados que afecta al número de portadores de momento acoplados, como consecuencia de la alta relación superficie/volumen. En las ferritas espinela, la disminución del tamaño de partícula da lugar a una variación de la distribución catiónica que también afecta al número de portadores de momento acoplados. Además, el comportamiento magnético se ve afectado por las interacciones entre partículas, así como por la agregación entre ellas, lo que puede dificultar su utilización en muchas aplicaciones. En este trabajo se han preparado ferritas espinela MFe2O4 (M=Fe, Co, Ni y Zn) de tamaño de partícula nanométrico empleando dos estrategias de síntesis, con el principal objetivo de evitar la agregación entre partículas y minimizar las interacciones entre ellas. En primer lugar, se han preparado nanoferritas estabilizadas con ácido oleico, empleando un método de síntesis basado en la descomposición térmica de precursores en disolventes de alto punto de ebullición. Las nanopartículas de ferrita obtenidas (con tamaños entre 3 y 16 nm) son monodispersas y con alta cristalinidad, con especies oleato coordinadas en la superficie de las partículas formando una monocapa completa. Mediante espectroscopía Raman se ha estimado el grado de inversión en algunas muestras, observándose que el método de síntesis afecta a la distribución catiónica, y de forma más notable en el caso de ferrita de zinc. Por otra parte, se han preparado nanopartículas de ferrita espinela de la misma composición encapsuladas en matrices de sílice mesoporosa tipo MCM-41 y SBA-15, observándose que las nanopartículas de ferrita se encuentran alojadas en los canales de la matriz formando hileras. Cuando se elimina la matriz en el caso de los nanocomposites ferrita/SBA, se obtienen nanohilos que mantienen la estructura cristalina espinela y que replican la estructura de la matriz porosa que ha actuado como molde. Del estudio de las propiedades magnéticas de las partículas estabilizadas con ácido oleico, se deduce que los parámetros magnéticos dependen en gran medida de la composición, así como del tamaño de partícula, observándose que la magnetización, temperatura de bloqueo y campo coercitivo aumentan al aumentar el tamaño. Además, se ha observado que las interacciones dipolares entre partículas no se evitan por la presencia de las especies estabilizantes, excepto en las muestras de menor tamaño. En el caso de las partículas encapsuladas en matrices y libres de matriz, los resultados obtenidos indican que las interacciones dipolares son más intensas en los nanohilos de ferrita en comparación con las partículas encapsuladas, de forma que la matriz de sílice es capaz de evitar las interacciones entre partículas vecinas en el eje transversal al canal de la matriz, sin embargo, no es capaz de evitarlas a lo largo del canal, donde las partículas están dispuestas en hileras. Por otra parte, la matriz porosa ejerce una tensión mecánica en las partículas, que da lugar a una alta anisotropía superficial. Esto se traduce en altos valores de campo coercitivo y campo de la anisotropía lo que indica que las nanopartículas se comportan como un material magnéticamente duro.