Nanoparticelle magnetiche

Le nanoparticelle magnetiche (MNPs) sono particelle con dimensioni variabili da 5 a 100 nm e con proprietà magnetiche utilizzate in applicazioni biomediche, energetiche, ingegneristiche e ambientali.

Le nanoparticelle magnetiche sono nanomateriali costituiti da elementi magnetici, come ferro, nichel, cobalto, cromo, manganese, gadolinio e i loro composti chimici. Sono spesso costituite da spesso ossidi di ferro come la magnetite (Fe₃O₄ ), la maghemite (γ-Fe₂O₃ ), l’ematite (α- Fe₂O₃) e la goethite, minerale appartenente costituito da ossido-idrossido di ferro (III) FeO(OH).

Esse possono essere legate selettivamente a molecole funzionali e consentire il trasporto in una posizione mirata sotto un campo magnetico esterno da un elettromagnete o un magnete permanente. A causa delle loro dimensioni, del loro elevato rapporto superficie-volume e delle diverse strutture cristalline, le nanoparticelle magnetiche mostrano proprietà magnetiche interessanti e considerevolmente diverse da quelle trovate nei loro corrispondenti materiali in scala macroscopica.

Le proprietà fisiche delle nanoparticelle magnetiche sono infatti fortemente influenzate dalle loro dimensioni che possono essere utilizzate per ottimizzare altre proprietà come il magnetismo e l’area superficiale.

Proprietà delle nanoparticelle magnetiche

Le nanoparticelle magnetiche presentano una gamma di proprietà fisiche grazie alle loro dimensioni ridotte e alla loro struttura. Esse mostrano superparamagnetismo, forma di magnetismo tipica di nanoparticelle ferromagnetiche o ferrimagnetiche che si verifica nelle nanoparticelle che hanno un singolo dominio.

La stabilità fisica e chimica dei materiali magnetici viene acquisita dal rivestimento che può essere costituito, ad esempio, da polimeri, silice, biomolecole e possono essere progettati per ottenere affinità con le molecole bersaglio.

Quando un campo magnetico esterno viene applicato esse mostrano sensibilità magnetica e possono interagire con questi campi magnetici esterni. Tuttavia, in assenza di campo magnetico esterno non mostrano alcun tipo di magnetismo.

Introdotte nei sistemi viventi, le particelle sono mostrano magnetismo solo in presenza di un campo esterno, il che conferisce loro un vantaggio unico nel lavorare in ambienti biologici e sono pertanto utilizzate, grazie anche alla loro biocompatibilità come veicoli per la somministrazione di farmaci

Magnetismo e materiali

I materiali magnetici hanno una risposta a un campo magnetico applicato e possono mostrare ferromagnetismo, paramagnetismo, diamagnetismo e antiferromagnetismo. Nei materiali ferromagnetici come ferro, nichel e cobalto un atomo ha un momento magnetico netto dovuto agli elettroni spaiati e sono composti da domini contenenti ciascuno un gran numero di atomi i cui momenti magnetici sono paralleli producendo un momento magnetico netto del dominio che punta in una certa direzione.

I momenti magnetici dei domini sono distribuiti in modo casuale dando un momento magnetico netto del materiale pari a zero. Quando il materiale ferromagnetico è posto in un campo magnetico, i momenti magnetici dei domini si allineano lungo la direzione del campo magnetico applicato formando un momento magnetico netto che persiste, anche se in misura minore, dopo la rimozione del campo magnetico.

Nei materiali paramagnetici come gadolinio, magnesio, litio e tantalio un atomo ha un momento magnetico netto dovuto agli elettroni spaiati ma i domini magnetici sono assenti. Quando il materiale paramagnetico è posto in un campo magnetico, i momenti magnetici degli atomi si allineano lungo la direzione del campo magnetico applicato formando un momento magnetico netto debole che non viene quando il campo magnetico viene rimosso.

Nei materiali diamagnetici come rame, argento, oro e la maggior parte degli elementi conosciuti il momento magnetico netto pari a zero. Questi materiali mostrano una risposta molto debole al campo magnetico applicato a causa del riallineamento delle orbite degli elettroni quando viene applicato un campo magnetico che non persiste quando il campo magnetico viene rimosso.

I materiali antiferromagnetici come MnO, CoO, NiO e CuCl₂  sono composti da due atomi diversi che occupano diverse posizioni nel reticolo. I due atomi hanno momenti magnetici uguali in grandezza e opposti in direzione, il che si traduce in un momento magnetico netto pari a zero. Anche i materiali ferrimagnetici come la magnetite e la maghemite sono composti da atomi diversi che si trovano su siti reticolari diversi con momenti magnetici antiparalleli.

Tuttavia, in questi materiali, i momenti magnetici non si annullano poiché hanno grandezze diverse che si traducono in un momento magnetico spontaneo netto. I materiali antiferromagnetici e ferrimagnetici, quando posti in un campo magnetico, mostrano un comportamento simile a quello di quelli ferromagnetici.

Sintesi delle nanoparticelle magnetiche

Diversi metodi sintetici vengono utilizzati per ottenere nanoparticelle magnetiche delle dimensioni, morfologia, stabilità e biocompatibilità desiderate. Possono essere ottenute con mezzi fisici tramite un mulino a sfere, chimici tramite coprecipitazione, decomposizione termica e biologici a partire da piante, funghi, alghe e batteri.

La coprecipitazione è il metodo più comunemente utilizzato per produrre nanoparticelle magnetiche di dimensioni e proprietà magnetiche controllate partendo da ioni metallici disciolti in un solvente. Ad esempio le nanoparticelle di ferrite di manganese MnFe₂O₄ sono ottenute utilizzando cloruro di ferro (III) FeCl₃ e cloruro di manganese (II) MnCl ₂ come ioni metallici e idrossido di sodio come agente precipitante.

I nanocristalli di MgFe₂SO₄  possono essere ottenuti da ioni Fe³⁺ e Mg²⁺  coprecipitati mediante aggiunta di NaOH. Durante il processo di coprecipitazione, diversi fattori come il pH, gli ioni metallici e le loro concentrazioni, la temperatura di reazione possono influenzare la composizione delle nanoparticelle magnetiche, la dimensione e la forma delle particelle.

Tramite la decomposizione termica sono utilizzati precursori organometallici per produrre nanoparticelle monodisperse operando ad alte temperature. Il processo di decomposizione dei precursori organometallici viene effettuato in presenza di tensioattivi organici per produrre MNP della dimensione e della forma desiderate.

Tramite questo metodo si ottengono nanocristalli di Fe₃O₄ e  compositi magneticamente attivi di ferro. Gli agenti stabilizzanti utilizzati includono acidi grassi, esadecilammina e acido oleico. Gli stabilizzanti utilizzati nel processo di decomposizione possono rallentare la nucleazione delle nanoparticelle che controllano la crescita degli MNPs e aiutano a produrre una forma sferica e una dimensione desiderabile inferiore a 30 nm.

Usi

Le nanoparticelle magnetiche sono di grande interesse per un’ampia gamma di discipline, come i fluidi magnetici, la catalisi, la biomedicina, l’immagazzinamento di energia magnetica, l’immagazzinamento di informazioni e la spintronica.

Sono inoltre utilizzate per migliorare la capacità dei dispositivi di memorizzazione magnetica come nastri magnetici e dischi rigidi dei computer. In campo medico le nanoparticelle magnetiche vengono utilizzate come agenti di contrasto, nella terapia tumorale dove possono essere introdotte selettivamente nelle cellule tumorali.

Successivamente la loro temperatura viene aumentata utilizzando un campo magnetico oscillante per raggiungere circa 43 °C, temperatura alla quale le cellule tumorali sono più sensibili alle radiazioni e ad altre modalità di trattamento. Infine sono utilizzate come agenti di somministrazione di farmaci che comportano l’immobilizzazione del farmaco su materiali magnetici sotto l’azione di un campo magnetico esterno idea espressa per prima dall’immunologo e microbiologo tedesco Paul Ehrlich.

In campo industriale l’ematite e la magnetite sono state utilizzate come catalizzatori in molte reazioni come la sintesi dell’ammoniaca e la desolforazione del gas naturale Altre reazioni includono la sintesi Fisher-Tropsch per gli idrocarburi, la deidrogenazione dell’etilbenzene in stirene, l’ossidazione degli alcoli e la sintesi su larga scala del butadiene.