FABRICACIÓN DE NANOHILOS MAGNÉTICOS A BASE DE COMPUESTOS DE HIERRO

CÉSAR LEANDRO LONDOÑO CALDERON; LAURA GABRIELA PAMPILLO; RICARDO MARTÍNEZ GARCÍA

Corrientes

Jornada; XXI Jornadas de Jóvenes Investigadores de AUGM; 2013

Los nanohilos son materiales nanoestructurados, ?alambres? con un diámetro del orden de 10-9m, y con una longitud libre. A estas escalas, los efectos cuánticos son importantes, por lo que estos alambres también se conocen como hilos cuánticos. Al ser materiales unidimensionales, los nanohilos tienen propiedades que no aparecen en materiales tridimensionales. Esto se debe a que los electrones tienen un confinamiento cuántico y ocupan niveles de energía que son diferentes de los niveles de energía o bandas encontradas en materiales masivos. Las características peculiares de este confinamiento cuántico se manifiestan en valores discretos de determinadas propiedades físicas, que surgen de una restricción de la mecánica cuántica en el número de electrones que pueden viajar a través del hilo en escala nanométrica. Debido a sus especiales propiedades, los nanohilos se aplican actualmente en electrónica y optoelectrónica, así como en la biomedicina en temas como el diagnóstico y tratamiento del cáncer (vía magnetohipertermia), la detección de DNA y de las variaciones en las secuencias de DNA, y como sensores para la detección selectiva de virus o proteínas. La gran mayoría de estudios actuales sobre nanohilos, está enfocada hacia la obtención y aplicación (debido a sus remcardas y diferentes propiedades eléctricas) de nanohilos metálicos por métodos de equipamiento robusto, costosos y complicados como lo son la nanolitografia y la electrodeposición. Los nanohilos correspondientes a óxidos de hierro han sido menos estudiados ya que es más difícil su obtención por estas técnicas. Adicionalmente, no existe una clara correlación entre las propiedades físicas de los nanohilos, el método de síntesis y sus características morfológicas (diámetro, longitud y tamaño de partícula). Con los argumentos expuestos hasta acá, proponemos la obtención y desarrollo de nanohilos para aplicaciones en nanotecnología, como el objetivo principal de este trabajo. Para ello empleamos cavidades unidimensionales o nanoporos donde se forman las nanopartículas magnéticas. Como base se usan películas porosas de alúmina anodizada con poros de diferentes diámetros y como nanopartículas se emplean fases de oxihidróxidos y óxido de hierro, y ferritas cúbicas y hexagonales. La elaboración de las membranas nanoporosas de alúmina anodizada se hace mediante un proceso de doble anodizado de una lámina de aluminio comercial, por medio de un set experimental implementado por nosotros. En el cual se emplea una diferencia de potencial en forma de pulso (30 y -2V), con un periodo de 1s. Los sustratos han sido fabricados por una metodología económica (respecto a las que normalmente se emplean en la literatura) y caracterizados por Microscopía Electrónica de Barrido, Microscopía de Fuerza Atómica y Difracción de rayos-X. Para obtener los nanohilos se empleó un método de síntesis desarrollado por nuestro grupo, el cual se ha denominado ?método de crecimiento in situ?. El mencionado método es una síntesis químico-física, que se basa en fabricar los nanohilos en el interior del sustrato en un solo paso. Para lograrlo se diseña y fabrica un sustrato con poros o cavidades con la geometría óptima. Dichas cavidades se llenan con el precursor químico del nanohilo, manteniendo el sustrato en el interior del medio acuoso donde ocurren las reacciones químicas que, tras un tratamiento térmico adecuado, dan lugar a la formación de la nanopartícula magnética. Este tratamiento térmico se realiza en dos fases y en atmósfera controlada, y es el paso que permite optimizar la formación y crecimiento de los nanohilos dentro del sustrato. Una vez culminado este proceso, el material se somete a un tratamiento químico adecuado para disolver, de manera selectiva, el sustrato y ?liberar? los nanohilos. Este método ha sido satisfactoriamente implementado, para la obtención de nanohilos de goetita (α-FeOOH), a partir de una solución acuosa de nitrato de hierro III nonahidratado (Fe(NO3)3.9H2O), cerca del punto de saturación. Inmediatamente después, se realizó un tratamiento térmico sobre los sustratos llenos a 80 °C durante 24 horas, para liberar el agua presente en las nanoestructuras, luego se realizó un segundo tratamiento térmico a 300 °C, durante 3 h, para favorecer la descomposición de los grupos nitrato y generar las condiciones apropiadas para la formación del nanohilo de oxihidróxido de hierro. Las propiedades físicas de los nanohilos fueron evaluadas tanto dentro de los sustratos como fuera de ellos. Para el segundo procedimiento, la muestra se disolvió en una solución de hidróxido de sodio (NaOH) 1M, para disolver tanto el óxido de aluminio (Al2O3), como el Al y dejar los nanohilos en suspensión. Los nanohilos obtenidos se caracterizaron por poseer un diámetro de 55 nm, 5 menos del diámetro de poro de las plantillas. La respectiva longitud, está entre 1.5 y 2 μm, sin embargo, los resultados obtenidos por Microscopía Electrónica de Transmisión (MET), sugieren que la longitud de los nanohilos, al ser liberados del sustrato, pueden disminuir su longitud hasta 200 nm, lo cual puede ser explicado por las micropipetas empleadas para analizar los nanohilos en el MET. Adicionalmente los nanohilos no presentan una estructura compacta (es decir están copuestos por pequeños cúmulos de nanoparticulas), las cuales los hacen frágiles. En condiciones normales, la descomposición térmica (a 300 °C) del nitrato de hierro, da lugar a la formación de hematita (α-Fe2O3). Sin embargo, en condiciones de confinamiento morfológico (que se caracteriza por la poca cantidad de oxígeno en las nanocavidades), no existe la cantidad suficiente de oxígeno para desplazar los grupos hidroxilo (OH-), presentes en el medio. Esta es la razón por la cual, nuestro procedimiento da lugar a la formación de goetita en vez de hematita. Por último se realizaron medidas de las propiedades magnéticas de los nanohilos en los sustratos por medio de magnetometría, en geometría paralela y perpendicular, al eje de formación de los nanohilos. Los resultados obtenidos, indican la presencia de un eje de fácil magnetización en la geometría paralela, una anisotropía y una textura magnética. El siguiente paso es obtener nanohilos compuestos de diferentes óxidos de hierro [Fe3O4 (magnetita), γ-Fe2O3 (maghemita), MFe2O4 (M = Co, Cu, Mn) y MFe12O19 (M = Ba, Sr, Pb)] y por medio del método de síntesis variar el tamaño de partícula.