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  • Projeto de Pesquisa

    Estudo de Propriedades Magnticas de Nanopartculas de xido de Ferro

    Aluna: Natlia De Nadai Orientador: Prof. Dr. Marcelo Knobel

    Perodo: 01de novembro a 31 de julho

    Laboratrio de Materiais e Baixas Temperatura

    IFGW (Instituto de Fsica Gleb Wataghin) UNICAMP

  • 1. RESUMO DO PLANO INICIAL

    O projeto da iniciao cientfica se baseia no estudo preliminar de propriedades

    magnticas de nanopartculas de xido de Ferro, dando nfase possveis aplicaes

    biomdicas. As linhas gerais do plano de trabalho a ser desenvolvido no Laboratrio de

    Materiais e Baixas Temperatura (LMBT), sob a orientao do Prof. Dr. Marcelo Knobel

    so:

    1.1) Estudo preliminar sobre as propriedades magnticas dos materiais: foram

    buscados dados na literatura sobre as principais propriedades dos materiais

    ferromagnticos, paramagnticos e diamagnticos e suas aplicaes e tipos de

    comportamento.

    1.2) Prticas experimentais (acompanhamento de medidas) realizadas por outros

    pesquisadores, como por exemplo, aprender o funcionamento do SQUID (Superconducting

    Quantum Interference Device), aprender a trocar a cabea de medio e aprender a fazer a

    transferncia de Helio.

    1.3) Estudo sobre as propriedades magnticas dos materiais nanocristalinos: Foram

    pesquisados em livros bsicos e em artigos cientficos, tanto nos mais antigos como nos

    mais recentes, a teoria relacionada a sistemas nanocristalinos (superparamagnetismo,

    tempo de relaxao) .

    1.4) Incio do trabalho de caracterizao magntica das amostras de nanopartculas

    de ferro e/ou de outros materiais: Caracterizao da resposta magntica das nanopartculas

    de xido de ferro (principalmente Fe3O4 e -Fe2O3 ) encapsuladas com materiais

    biocompatveis, objetivando a sua compatibilidade com o organismo humano.

    1.5) Anlise de curvas experimentais caractersticas de magnetizao em funo do

    campo e em funo da temperatura: Obteno de diferentes curvas experimentais, como

    curvas de magnetizao em funo do campo, curvas de magnetizao zero-field-cooled

    (ZFC) e field-cooled (FC), curva de magnetizao termo-remanente (TRM), entre outras.

  • Seriam analisados amostras com diferentes distncias entre as nanopartculas, mas com a

    mesma distribuio de tamanho.

    2. RESUMO DAS ATIVIDADES REALIZADAS

    No decorrer do primeiro trimestre da iniciao cientifica dei inicio ao estudo das

    principais propriedades magnticas, buscando informaes em livros bsicos de

    eletromagnetismo. Como minha bolsa saiu somente em novembro, at esse perodo o

    projeto ficou um pouco estagnado, pois, devido a necessidades financeiras, fui trabalhar na

    NanoAventura (projeto que visa fazer os alunos de ensino fundamental e mdio entrarem

    em contato com a nanotecnologia atravs de jogos educativos) . Tive a oportunidade de

    assistir a alguns seminrios , aproveitando para aprender mais sobre nanopartculas

    magnticas com aplicao biomdica. Pude participar tambm de algumas reunies com o

    Dr. Li Li Min (do Laboratrio de Neuroimagem do Departamento de Neurologia da

    Faculdade de Cincias Mdicas) e com a Dra. Daniela Zanchet (do Laboratrio Nacional

    de Luz Sncrotron), tratando da biocompatibilidade das nanopartculas na marcao de

    clulas- tronco. Participei do VI Curso de Radioterapia do Hospital Srio Libans e do

    Mini-Curso de Fsica Mdica oferecido pela Unicamp.

    No segundo trimestre ajudei na fabricao de um termopar, com a superviso do Dr.

    Leandro Sokolovsky (do LMBT) onde foram realizadas vrias pesquisas para saber qual

    seria o melhor material, como faz-lo e sua utilizao no laboratrio. Est sendo feita uma

    vareta para o SQUID, para a medida da resistividade, e foi feito um projeto com a ajuda do

    aluno de Iniciao Cientfica, Maurcio Albieri Pudenzi, e da aluna de Mestrado, Tatiana

    Midori Martins, onde foram pesquisados os melhores materiais e o melhor mtodo para se

    fixar a amostra vareta.

    Realizei o estudo das propriedades magnticas dos materiais nanocristalinos,

    procurando sempre acompanhar novos artigos sobre o assunto, visando um melhor

    entendimento da teoria superparamagntica .

  • Pude acompanhar medidas de outros pesquisadores e iniciar o aprendizado do

    funcionamento do SQUID. Aprendi um pouco da programao, que utilizada para fazer

    medidas, aprendi a fazer transferncia de Hlio, e qual o nvel mnimo que o SQUID pode

    trabalhar, e ainda aprendi a fazer trocar de cabeas e a principal utilizao de cada uma

    delas.

    Gostaria de acrescentar meus agradecimentos especiais ao meu orientador, Dr. Marcelo

    Knobel, e a Dra. Ana Lcia Brandl, que tornaram possvel a realizao desse projeto de

    Iniciao Cientfica.

    3. RESULTADOS PARCIAIS

    3.1) Introduo

    Os sistemas magnticos nanoestruturados (com dimenses da ordem de at dezenas

    de nanmetros[1]) apresentam propriedades nicas que no so apresentadas nos materiais

    massivos. Tais sistemas podem ser encontrados em meios slidos (chamados slidos

    granulares) e em meios lquidos (conhecidos como ferrofluidos). No caso de slidos

    granulares, a matriz que abriga os gros magnticos pode ser isolante ou condutora,

    cristalina ou amorfa, e podem conter mais de uma fase de diferentes materiais.

    Quando as partculas esto suficientemente prximas, o campo magntico gerado

    por uma delas poder ser sentido pela outra, e portanto, as interaes entre as partculas,

    devem ser levadas em considerao nas analises.

    No destaque das principais aplicaes dessas partculas pode-se notar sua utilizao

    em diagnstico mdico, catalisadores, produtos farmacuticos, gravao/ leitura, pigmentos

    em tintas e cermicas[2-3].

    Partculas slidas ultrafinas podem ser obtidas atravs de vrios mtodos de

    produo, como sputtering, melt-spinning, deposio do vapor, eletrodeposio, moagem

    mecnica[2-3].

  • 3.2) Propriedades magnticas dos materiais

    As primeiras especulaes sobre a origem das propriedades magnticas de um

    pedao de magnetita, ou im permanente, foram que tal substncia era composta, ou pelo

    menos continha vrias partculas, cada uma delas sendo um im [4]. Depois de feita essa

    descoberta, pode-se iniciar um processo de caracterizao de cada umas dessas

    propriedades.

    O diamagnetismo caracterstico de materiais que se alinham em um campo

    magntico no uniforme. O diamagnetismo foi estudado inicialmente por Faraday[5].

    Alguns estudos o fizeram concluir que todos os materiais so diamagnticos, porm, por

    ter um efeito muito fraco, tal efeito pode muitas vezes ser mascarado por alguma outra

    propriedade magntica.

    Os materiais paramagnticos caracterizam-se por serem fracamente atrados por

    campos magnticos. Quando um campo magntico externo aplicado ao material (por

    exemplo, colocando-o em uma espira) o fluxo atravs desse tem o mesmo sentido do

    campo externo, e neste caso os campos se adicionam [6]. No material paramagntico, a

    agitao trmica dos tomos perturba o alinhamento dos dipolos, o que provoca o aumento

    da temperatura, e conseqentemente o aumento da magnetizao.

    O ferromagnetismo um processo fsico , onde se pode observar um fluxo

    magntico no ferro mesmo se este estiver eletricamente descarregado, desta forma atraindo

    outros materiais. Por esta razo os materiais ferromagnticos podem ser chamados de ims

    permanentes. O ferro, o nquel e o cobalto so os mais conhecidos elementos

    ferromagnticos a temperatura ambiente, mas vrios outros elementos, a baixas

    temperaturas, tambm passam a apresentar esses efeitos.

    3.3) Superparamagnetismo

    A teoria do superparamagnetismo foi introduzida em 1950 por Bean e Livingston

    [7] atravs analogia com sistemas paramagnticos. A primeira suposio da teoria foi

  • considerar que os momentos magnticos no interior de uma partcula se movam

    coerentemente, isto , que o momento magntico total possa ser representado por um nico

    vetor clssico de magnitude[8].

    Cada partcula possui um tempo de relaxao (tempo caracterstico), que

    essencialmente o tempo mdio para reverter o momento magntico de um estado de

    equilbrio at outro. O tempo de relaxao determinado por uma freqncia de tentativa

    de saltos (da ordem de 1010 Hz), e por um fator de Bolztmann, exp[-KaV/kBT], onde kB a

    constante de Bolztmann, T a temperatura, V o volume da partcula e Ka a constante de

    anisotropia.

    O volume crtico para o superparamagnetismo diretamente proporcional sua

    temperatura, o que implica que, se tivermos uma distribuio de partculas com diferentes

    tamanhos, ao elevarmos a temperatura cada vez mais elas vo se tornando

    superparamagnticas.

    Um exemplo numrico muito simples seria pegarmos uma partcula esfrica de

    Cobalto com 68 de dimetro que tem um tempo de relaxao de apenas um dcimo de

    segundo. Um conjunto dessas partculas atingiria muito rapidamente o equilbrio trmico.

    Porem, se aumentarmos o volume da partcula para 90 , o valor de passa para 3,2x109

    segundos, o que significa aproximadamente 100 anos! Ou seja, o momento magntico fica

    to instvel que acaba demorando muito mais para sofrer uma reverso[9], mesmo com

    uma variao to pequena do dimetro da partcula.

    Desta forma pode-se afirmar que uma partcula superparamagnetica se, a uma

    certa temperatura, o seu tempo de relaxao for menor que o tempo necessrio para se

    realizar a medida. Caso contrario, diz-se qu

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