Nanoparticelle
Magnetiche
Claudio Sangregorio
Roberta Sessoli
LAMM - LAboratorio di Magnetismo Molecolare
Dip. di Chimica - Università di Firenze
Perché studiare le nanoparticelle
magnetiche ?
Scienza fondamentale (coesistenza di
approcci classici e quantistici)
Comportamento
Quantistico
Atomi e
Molecole
<10-9 m
paramagnete
Comportamento
Misto
Nanostrutture
10-9 -10-7 m
Comportamento Classico
Microstrutture Oggetti Quotidiani
10-7-10-3 m
superparamagnete
>10-3 m
magnete
Perché le proprietà dei materiali cambiano quando le
loro dimensioni sono ridotte alla scala nanometrica:
•Effetti di confinamento
(quantizzazione degli stati energetici)
•Elevato rapporto superficie/volume
(maggiore reattività chimica e proprietà chimico-fisiche totalmente
diverse)
•Dimensioni dello stesso ordine di alcune grandezze
caratteristiche di importanti fenomeni fisici
(es. Resistenza - libero cammino medio;
Diffrazione e diffusione- lunghezza d’onda;
Conducibilità termica - libero cammino medio;
Magnetismo -lunghezza di scambio, parete di dominio;
DIMENSIONI DI ALCUNE GRANDEZZE CRITICHE MAGNETICHE
(in nanometri)
GRANDEZZA
SIMBOLO
DEFINIZIONE
Fe
Nd2Fe14B
Lunghezza di scambio
Iex
 (0A/J2)
1.5
Larghezza della parete di
dominio
dw
Iex 
40
3.9
Dimensione critica di singolo
dominio
RSD
36Iex
6
107
Dimensione critica per
superparamagnetismo
(@ 300 K)
RB
8
1.7
(6kBT/K)1/3
Calcolate da Michael Coey, Univ. di Dublino
1.9
Proprietà magnetiche di sistemi nanostrutturati
Effetti di dimensione finita
Contributo della superficie
• Modificazione delle proprietà magnetiche intrinseche
(MS, TC, Anisotropia Magnetica)
• Polarizzazione dei materiali non magnetici
•Anisotropia Magnetica aumentata
•Frustrazione dell’ordine antiferromagnetico
Contributo superficie
Size-effect
Interazioni
Intergranulari
Superparamagnetismo
Processo di demagnetizzazione
Demagnetizzazione termica
e temporale
• Singolo dominio
• Interazione interparticella
Perché studiare le nanoparticelle
magnetiche ?
Scienza fondamentale (coesistenza di
approcci classici e quantistici)
Comprensione dei sistemi naturali
Sistemi naturali
Paleomagnetismo
Nanoparticelle di titanomagnetite
(Fe2TiO4) e magnetite (Fe3O4)
presenti nelle rocce
L. Néel 1949
Premio Nobel 1970
Sistemi naturali
Batteri magnetotattici (Fe3O4 o Fe3S4)
Preferiscono condizioni anaerobiche
99.9 %
99.9 %
L’inclinazione del campo terrestre seleziona una delle due possibili polarità.
Sistemi naturali
Magnetosomi
Nanoparticelle di magnetite avvolti in membrane cellulari
d = 30-120 nm
Il movimento del magnetosoma in
risposta al campo B deforma la
membrana aprendo dei canali per il
passaggio di ioni che produce un
segnale nervoso.
Sistemi naturali
Ferritina
Contiene un nucleo di FeO(OH) comprendente ca. 4000-5000
atomi di Fe3+.
Si trova in animali, vegetali, funghi, batteri
LiDps (DNA binding protein from starved cells, dal
batterio Listeria Innocua)
d=4.5nm
Fe oxid./immagazzinamento
Produce un nucleo minerale
antiferromagnetico di ferridrite
simile a quello della ferritina ma
di diemnsioni inferiori
D=9nm
Ilari A. et al., Nature.Struct.Biol.7,38, 2000
Pdb code: 1QGH
Immagazzianmento del Ferro nella Dps
2+
Fe
Fe(II) si lega al centro ferrossidasico
Fe(II) è ossidato da H2O2
Fe(III) è trasportato nella cavità proteica dove
nuclea il nucleo di Fe
Fe3+
Montpellier 2010
Perché studiare le nanoparticelle
magnetiche ?
Scienza fondamentale (coesistenza di
approcci classici e quantistici)
Comprensione dei sistemi naturali
Possibilità di nuove applicazioni
Mercato attuale dei materiali magnetici
50% Materiali per registrazione
36% Materiali dolci
13% Materiali duri
1% Altre applicazioni
Film per
registrazione
Calamite metaliche
(duri)
Ferriti duri
Ferrite
Alta frequenza
(dolce)
100000
??
Particelle per
registrazione
40
%
10000
Aciaio elettrico (dolce)
•
Il mercato globale legato all’uso di materiali
magnetici a base di nanoparticelle è stato
valutato nel 2004 pari a 4.3 miliardi di dollari e
si stima che raggiungerà i 12 miliardi entro il
2009 (United Press International).
• Il
90% del fatturato è legato alla
registrazione magnetica ma si attende un forte
sviluppo anche in altri settori, soprattutto nel
campo biomedico.
10

||
%
100 100 Gbit/in
00
Altre applicazione
2
~1
2
Areal Density (Gbit/in )
2
1000 1 Tbit/in
2
1 1 Gbit/in
0.1
0.01
2
1E-3 1 Mbit/in
1E-4
,
,
1E-5
1E-6
1950
1960
1970
1980
1990
Products
Lab Demos
2000
2010
2020
Date (year)
Nel 2003 sono stati raggiunti 100 Gbit /in2
Marzo 2005: 100 Gbit /in2 (Hitachi)
Perpendicular recording e Heat Assisted
Magnetic Recording
50 Tbit/in2
Nanoparticelle Magnetiche
Applicazioni
- Memorie magnetiche ad alta densità
- Sensoristica
- Ferrofluidi
- Refrigeranti magnetici
- Inchiostri magnetici
- Schermi
- Applicazioni biomediche
Why Magnetic Nanoparticles are appealing for
Biomedical Applications
Biological Length Scales
pollen
Gene (width)
0.1 nm
1 nm
Bacteria
10 nm
100 nm
Proteins
Aspirin
Molecule
1 m
10 m
Diameter
of
human
hair
100 m
Cells
Viruses
DNA
They have controllable small size, smaller or comparable to those of many
biological entities of interest
Why Magnetic Nanoparticles are appealing for
Biological and Medical Applications
- small enough for administration (intravenous, oral, inhalation, etc.)
→
method to reach any target organ or tissue
• must reside in vivo long enough to reach its target
• avoid immunological reactions, toxicity, rapid excretion and captation by
undesired tissues
Their surface can be functionalised allowing stability
in physiological media and covalent bonding to drugs
or biomolecules
- the smaller, the more neutral and the more hydrophilic the particle
surface, the longer is its plasma half-life
- for redirecting to the desired target, the particle surface has to be
labeled with ligands that specifically bind to receptors
Why Magnetic Nanoparticles are appealing for
Biological and Medical Applications
They are normally based on
biocompatible iron oxide and can
thus be reused/recycled by cells
using normal biochemical pathways
for iron metabolism
They can be manipulated by a
external magnetic field
Magnetite fluid dispersion under static magnetic field
Magnetic Targeting
Use a magnet to direct nanoparticles to
desired location
Magnetic Sorting
Goal: Separate/detect/isolate one type of cell from
others, often when the target is present in very
small quantities
1- Functionalize nanoparticles
O
R
O-
O-
O
Ligand
3- MNP bond to the target cell
2- Add to sample
Cells
4- Retain desired cells by
applying a magnetic
field
Why Magnetic Nanoparticles are appealing for
Biological and Medical Applications -4They can provide an important change in signal per unit of metal
Decrease of the T2
relaxation
Before MH
Effect of magnetic particles on
proton relaxation
Proton relaxation
After MH
Why Magnetic Nanoparticles are appealing for
Biological and Medical Applications -3Their magnetic properties can be tuned according to the size
They may interact with time-varying field and convert the electromagnetic
energy in local heat (MAGNETIC FLUID HYPERTHERMIA)
Range of
interest for
magnetic
fluid
hypethermia
The frequency used in magnetic fluid hyperthermia is usually in
the range between 50 and 500 kHz and then is not harmful for
biological tissues.
Why Magnetic Nanoparticles are appealing for
Biological and Medical Applications -3Magnetic Fluid Hyperthermia
 Cancer cells more sensitive to heat
Magnetic
nanoparticles
Cancer cells
Endocytosis
Apply a
magnetic field
Temperature in 41-46°C
range for 30min
Apoptosis
Destroy cancer cells
Nanoparticelle Magnetiche per Applicazioni Cliniche: Multifunzionalità
Nanoparticelle Magnetiche funzionalizzate
Nanoparticella
Coating Polimerico
Farmaco
Sviluppo di polimeri
“stealth” , biocompatibili e
biodegradabili
Anticorpo Monoclonale
Inserimento di farmaci
e di leganti specifici
Inserimento di
farmaci
Targeting Magnetico
Targeting Chimico
Il nanomateriale finale può svolgere più funzioni nelle terapie antitumorali
Citolisi delle cellule tumorali
per riscaldamento a T fino a
45 °C (o aumento dell’azione
di
eventuali
farmaci
chemoterapici associati)
Monitoraggio
della
distribuzione
delle
nanoparticellee dei loro
effetti mediante MRI
Rilascio controllato
in-situ di farmaci citotossici
Le pareti di Bloch
Al di sotto di una temperatura critica, TC, alcuni materiali possiedono una magnetizzazione
spontanea (ferro- e ferrimagnetismo). Questi materiali per minimizzare la propria energia
totale assumono una struttura a domini, vale a dire si suddividono in regioni di diversa
forma e dimensione all’interno delle quali gli spin sono tutti allineati tra loro. L’orientazione
degli spin è diversa nei vari domini.
M rimanente
Coercitività
Bloch wall
Per i materiali più comuni le
dimensioni delle pareti di
Bloch sono dell’ordine di 10100 nm.
I domini sono separati da
regioni dove l’orientazione
degli spin varia
gradualmente, le pareti di
Bloch. La larghezza delle
pareti dipende
dall’anisotropia magnetica e
dall’energia di scambio
 = A/K
A = energia di scambio
K = costante di anisotropia magnetica
Particelle a Singolo Dominio
=
100 nm
Quando il diametro d <  la formazione di
domini non è più energeticamente favorita;
tutti gli spin sono accoppiati tra loro (E di
scambio è costante). La magnetizzazione M
della particella cambia orientazione tramite la
rotazione coerente di tutti gli spin.
Superparamagnetismo:
M S2V

3k BT
Tipici valori di d sono:
Fe
15 nm
Co
70 nm
Ni
55 nm
NdFeB 100 nm
L’anisotropia magnetica
 La magnetizzazione di un ferromagnete tende a giacere lungo
certi assi cristallografici, detti assi facili
 L’energia di anisotropia cristallina, energia magnetocristallina, è
il lavoro che si deve fare per orientare la magnetizzazione lungo
un certo asse partendo dall’asse facile
Contributi all’anisotropia magnetica
Anisotropia magnetocristallina
Anisotropia di forma (magnetostatica)
Magnetostrizione
Anisotropia di superficie
Anisotropia di scambio
Anisotropia indotta
Anisotropia magnetica di una nanoparticella
Nanoparticella di Co fcc
Tecnica di misura: MicroSQUID
1 nm
HC in diverse direzioni
E (m)   K1mz 2  K 2 my  K 4 (mx my  mx mz  my mz )
2
2
2
2
2
2
K1=2.2×105J/m3, K2=0.9×105J/m3, K4=0.1×105J/m3
W. Wernsdorfer
Laboratorio Louis Néel, Grenoble (FR)
Anisotropia Cubica (bulk)
0.1×105J/m3
Anisotropia forma: 0.3-0.1×105J/m3
Anisotropia superficie
2