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Alguns usos de nanopartículas magnéticas em sensores Leandro M. Socolovsky Grupo de Nanodots Magnéticos, Instituto de Física, Universidade Federal de Goiás,

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1 Alguns usos de nanopartículas magnéticas em sensores Leandro M. Socolovsky Grupo de Nanodots Magnéticos, Instituto de Física, Universidade Federal de Goiás, Campus Samambaia, Goiânia (GO), Brasil Laboratorio de Sólidos Amorfos, Depto de Física, Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina (proximamente) Workshop Física e Inovação na América Latina

2 Realização dos experimentos - Colaboradores Grupo de Nanodots Magnéticos (UFG): –Prof. Dr. Andris F. Bakuzis (diretor) –Juracy L. dos Santos Junior, Emilio Cintra, Marcus Carrião (alunos) Grupo de Investigación de Propiedades Físicas y Aplicaciones de Materiales (Universidad Pública de Navarra, Espanha) –Dra. Cristina Gómez-Polo (diretora) –José Ignacio Pérez de Landazabal (investigador)

3 Sumário Nanociência - nanotecnologia e nanopartículas magnéticas Propriedades relevantes (TMR e GMI) TMR em NP recobertas com camada orgânica GMI em finemet Conexões Conclusões

4 Nanociência - Nanotecnologia Tamanho típico de estruturas em um material é da ordem dos nanômetros, propriedades físicas e químicas novas aparecem Existe como área própria há uma década É considerada a nova revolução tecnológica Aplicações nas áreas de terapias médicas, remediação ambiental, metalurgia, eletrodomésticos, eletrônica, spintrónica, alimentos, entre muitos outros Espera-se um mercado potencial de U$S 30 bilhões para 2008 Pintura magnética NP naturais de ferro no fígado, detetadas por MRI RAM magnética, protótipo IBM

5 Métodos de fabricação Em geral, fora do equilíbrio termodinâmico –melt spinning –molecular beam epitaxy –sputtering –Litografia holográfica –Moagem mecânica –Métodos químicos. NP de Co, produzido por sputtering Moinho NEV MA8 NP de Fe, método coloidal

6 Nanopartículas magnéticas Fabricadas por métodos coloidais : coprecipitação Magnetita – Fe 3 O 4: –Half metal => filtro de spin => Spintrônica Recobertas com camada orgânica: –Camada homogênea –Diferentes distâncias entre NP com diferentes camadas –Distribuição estreita de tamanhos –Nanopartículas de Fe 3 O 4 recobertas com carboxildextran, ácido poliaspártico, ácido tartárico

7 Imagens TEM tomadas no LME-LNLS Ácido tartárico Ácido poliaspártico Caracterização Estrutural XRD HR-TEM

8 Através das imagens de TEM obtivemos as distribuições de tamanhos (JEOL ARP 3100 microscope operated at 300 KV) Ácido tartárico Caracterização Estrutural d = 8.4 nm = 0.2 d = 9.1 nm = 0.3 d = 7.5 nm = 0.2 Carboxildextran Ácido poliaspártico

9 Magnetoresistência de Tunelamento em sistemas multicamadas : geometria básica Eletrodos ferromagnéticos, onde é aplicado uma voltagem configuração P M M e-e- Camada isolante configuração AP M M e-e- Razão MR =

10 Magnetoresistencia de Tunelamento Tunelamento dependente de spin (SDT) Diferencias na DOS no nível de Fermi Dois canais No processo, o spin é conservado Elétrons de uma sub- banda tunelam à outra banda com a mesma orientação

11 Barreiras de Tunelamento Sistemas multicamadas Espaçador: –Mg-O –Al-O x Produzidas por técnicas de deposição Razão MR a RT

12 TMR em sistemas granulares A condução elétrica é feita por tunelamento entre as NP A camada orgânica é o espaçador isolante O processo de transporte depende da distância NP-NP, assim como do tamanho delas

13 Sistemas baseados em magnetita Para NP recobertas com poliestireno, Wang et al acharam um efeito MR de T (RT) Nanofios de MgO/Fe 3 O 4 : – T (RT) Wang et al, PRB 73 (2006) Zhang et al, NanoLetters 4 (2004) 2151

14 TMR – nossos resultados Ácido poliaspártico primeira: ~620% segunda: ~52 % Ácido tartárico primeira: ~170 % segunda: ~18% Carboxildextran primeira: ~35 % segunda: ~56% São os valores mais altos registrados até agora em sistemas baseados em NP de magnetita H [Oe] Medido com um eletrômetro Keitlhey 6517A (cortesia Prof. Dr. M. Knobel)

15 Alta sensibilidade ao campo magnético TMR – nossos resultados Comportamento T -1\2 Característico de tunelamento termicamente ativado, em sistemas granulares

16 Um sensor de temperaturas baseado na magnetoimpedância gigante Magnetoimpedância Gigante: –Impedância : Z =R+iX –Baseado no efeito pele: : profundidade, : resistividade elétrica, : permeabilidade magnética –Variação percentual: A presença de NP incrementa o efeito GMI M. Knobel, M. Vázquez, L. Kraus, "Giant Magnetoimpedance" em Handbook of Magnetic Materials (K. H. J. Buschow, ed.) (Elsevier Science, Amsterdam, 2003)

17 Amostras de um finemet, Fe 73,5-x Cr x Si 13,5 B 9 CuNb 3 Pequenas variações no conteúdo de Cr modificam a T C Nas vizinhanças de T C o efeito GMI é máximo È possível fabricar um termômetro altamente sensível Imagem de TEM de uma amostra Fe 73,5-x Cr x Si 13,5 B 9 CuNb 3 com x = 7. (LME-LNLS, Campinas) Um sensor de temperatura baseado na GMI [5] C. Gómez-Polo et al; IEEE Trans. Magn. 39 (5): (2003) Temperature detection method based on the magnetoimpedance effect in soft magnetic nanocrystalline alloys, C. Gómez-Polo, L. M. Socolovsky, M. Knobel and M. Vázquez EMSA Sensor Letters Vol. 5 (2007) 1-4

18 Conclusão parcial do trabalho de pesquisa… O efeito TMR em NP recobertas com camada orgânica e a sensibilidade ao campo magnético são muito elevados É possível sintonizar a T C em sistemas tipo finemet, para maximizar o efeito GMI a uma temperatura de referência

19 A viabilidade… A nanociência-nanotecnologia constitui uma área de pesquisa e desenvolvimento multidisciplinar Os investimentos em P&D nos países da América Latina são uma fração mínima se comparada aos dos países centrais Em muitos casos trata-se de áreas existentes, onde grandes empresas são fortes jogadores (P.E. a eletrônica É possível fazer alguma coisa?

20 Existem janelas de oportunidade… Uma delas é a dos sensores : relativamente baratos de produzir Possibilidade de criar empresas spin-off Geração de recursos humanos associada Atenção às necessidades específicas do país e da região

21 Conclusões Sistemas baseados em nanopartículas magnéticas oferecem possibilidades de fabricação de sensores A área é uma janela de oportunidade Os laboratórios têm que focar na formação de recursos humanos, e estabelecer parcerias interdisciplinárias com outras áreas de pesquisa, e com os possíveis usuários da tecnologia, P.E. ministérios, organizações sociais, ONG Agradecimentos: LME staff, M. Knobel, P.P Sartoratto, N. Buske, LNLS, CNPq


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