I polimeri magnetici sono materiali di nuova generazione definiti come polimeri funzionali che hanno proprietà magnetiche. Essi possono essere ferromagnetici ovvero essere in grado di magnetizzarsi molto sotto l’azione di un campo magnetico e rimanere a lungo magnetizzati quando il campo si annulla.
Le proprietà magnetiche erano note fin dall’antichità e la loro scoperta risale al 600 a.C. ma solo nel XVI secolo il fisico britannico William Gilbert fu il primo a indagare sistematicamente il fenomeno del magnetismo utilizzando metodi scientifici.
I polimeri magnetici possono essere anche paramagnetici ovvero sono in grado di assumere un’intensità di magnetizzazione orientata nello stesso verso del campo magnetico in cui sono immersi. Possono anche mostrare ferrimagnetismo che è un tipo di magnetismo permanente che si presenta in alcuni cristalli in cui i momenti magnetici degli ioni vicini tendono ad allinearsi in modo antiparallelo.
Le specie magnetiche in essi contenute sono generalmente specie contenenti materiali ferromagnetici, leghe, ossidi o strutture composite a base di ferro, cobalto e nichel come, ad esempio, ossido ferroso-ferrico Fe3O4, ferrito di cobalto CoFe2O4, ferrito di stronzio SrO· 6 H2O, ferrito di nichel NiFe2O4
I polimeri magnetici hanno attirato notevole attenzione grazie al loro eccezionale magnetismo, stabilità alla dispersione e biocompatibilità con potenziali applicazioni in applicazioni industriali, ambientali e biomediche.
Preparazione dei polimeri magnetici
I polimeri magnetici possono essere considerati compositi costituiti da una matrice polimerica in cui sono incorporate particelle magnetiche. I polimeri maggiormente usati sono i poliuretani, le resine epossidiche, il polistirene, il polimetilmetacrilato o polimeri conduttivi come la polianilina e polipirrolo.
La preparazione di particelle polimeriche magnetiche può essere fatta con particelle con nucleo magnetico e guscio polimerico, particelle con nucleo polimerico e guscio magnetico e particelle magnetiche incorporate in materiali polimerici.
Le metodologie sintetiche per preparare i polimeri magnetici possono, nelle linee generali, consistere nella sintesi separata delle particelle magnetiche e delle microsfere polimeriche che sono successivamente assemblate sfruttando la loro reciproca interazione fisica.
Un altro metodo consiste nella precipitazione in situ di nanoparticelle di ossido di ferro sulla superficie del polimero o, in alternativa, si possono polimerizzare i monomeri in presenza di nanoparticelle magnetiche.
Polimeri magnetici con ossido di ferro
Gli ossidi di ferro utilizzati nei polimeri magnetici possono essere sotto forma di maghemite γ-Fe2O3, magnetite Fe3O4 ed ematite α-Fe2O3. A seconda della specie utilizzata il polimero presenta applicazioni diverse.
Le proprietà magnetiche vengono inoltre influenzate riducendo o aumentando la dimensione delle particelle, ad esempio l’aumento della dimensione delle particelle aumenterà anche le proprietà intrinseche magnetiche.
Ad esempio, la magnetite è comunemente utilizzata in applicazioni mediche per la somministrazione di farmaci a causa delle proprietà di saturazione magnetica più elevate rispetto agli altri. L’ematite è invece utilizzata nel trattamento dell’ipotermia e nei sistemi di somministrazione di farmaci.
Metodo della coprecipitazione
Per ottenere polimeri magnetici a base di ferro si utilizza il metodo della coprecipitazione che costituisce la via chimica umida più efficiente e diretta. Ad esempio la magnetite viene generalmente ottenuta in situ utilizzando sali di Fe2+ come solfato di ferro (II) FeSO4 e/o sali di Fe3+ come cloruro di ferro (III) FeCl3.
Tali sali sono posti in una soluzione alcalina e il processo di precipitazione dipende dal pH della soluzione ed in genere avviene in un intervallo tra 8 e 14 e con un rapporto tra Fe3+ e Fe2+ pari a 2 in condizioni non ossidanti.
I sali solubili di Fe3+ e Fe2+ precipitano in ambiente basico sotto forma dei rispettivi idrossidi:
Fe3+(aq) + 3 OH–(aq) → Fe(OH)3(s)
Fe2+(aq) + 2 OH–(aq) → Fe(OH)2(s)
L’idrossido di ferro (III) a caldo dà luogo alla formazione di ossido-idrossido di ferro (III) secondo la reazione:
Fe(OH)3(s) → FeOOH (s) + H2O
L’ ossido-idrossido di ferro (III) reagisce con l’idrossido di ferro (II) per dare la magnetite:
2FeOOH(s) + Fe(OH)2 (s) → Fe3O4 (s) + 2 H2O
Applicazioni
I polimeri magnetici sono utilizzati in vari campi e, in particolare, nei prodotti elettronici come computer, telefoni cellulari, tablet e laptop. Nel settore automobilistico sono utilizzati nelle auto elettriche e ibride. In campo aerospaziale evitano fenomeni come l’interferenza elettromagnetica, la corrosione e la formazione di ghiaccio che possono provocare danni strutturali
Grazie alla versatilità di questi composti, alla possibilità della matrice polimerica che può essere idrofoba o idrofila che può rigonfiarsi o rimanere meccanicamente stabile in soluzioni acquose o condizioni fisiologiche e alle loro proprietà meccaniche, i polimeri magnetici trovano largo utilizzo in campo biomedico.
Oltre alle proprietà meccaniche e magnetiche essi hanno, inoltre, la capacità di autoripararsi come avviene, in particolare negli organismi biologici. La ricerca si è quindi indirizzata a ottenere sistemi in grado di funzionare nel corpo umano per periodi prolungati, anche se sottoposti a variazioni di pH e agli attacchi enzimatici.