Art\u00edculo completo en PDF<\/a><\/p>\n El presente arti\u0301culo esta\u0301 basado en la investigacio\u0301n \u201cNanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras disen\u0303adas bioinspiradas en la bacteria magnetota\u0301ctica: si\u0301ntesis y estudios magne\u0301ticos\u201d, galardonada con el Premio de Investigacio\u0301n UANL 2013, en la categori\u0301a de Ciencias Exactas, otorgado en sesio\u0301n solemne del Consejo Universitario, en septiembre de 2013.<\/p>\n Para entender las propiedades de un material magne\u0301tico es necesario esclarecer que\u0301 fuentes de anisotropi\u0301a predominan. E\u0301stas establecen la orientacio\u0301n preferencial de la magnetizacio\u0301n en ausencia de campos magne\u0301ticos y, junto a otros factores, determinan la estructura de dominios del material y el proceso de inversio\u0301n de la magnetizacio\u0301n. Por ello, uno de los retos principales de la fi\u0301sica del magnetismo es entender los principios subyacentes en las diferentes formas de anisotropi\u0301a.<\/p>\n En este aspecto, las nanoestructuras y peli\u0301culas delgadas son de especial intere\u0301s, debido a que en es- tos sistemas aparecen nuevas fuentes de anisotropi\u0301a como consecuencia de su baja dimensionalidad. Por ejemplo, en las nanoestructuras unidimensionales 1D<\/em> (nanoalambres, nanotubos, nanoelipsoides y\u00a0nanocintas), la forma anisotro\u0301pica del material suele ser la fuente de anisotropi\u0301a magne\u0301tica predominante, en detrimento de las anisotropi\u0301as magnetocristalina y magnetoela\u0301stica<\/em>, las cuales suelen gobernar las propiedades magne\u0301ticas de los materiales en bulto. Estas nanoestructuras han sido objeto de estudio desde hace ma\u0301s de seis de\u0301cadas, y se han propuesto varios modelos teo\u0301ricos para los mecanismos de inversio\u0301n de la magnetizacio\u0301n que tendri\u0301an lugar en ellas. (1-6) No obstante, cabe mencionar que considerando los modos de inversio\u0301n de la magnetizacio\u0301n matema\u0301ticamente posibles, segu\u0301n el problema de la nucleacio\u0301n de Brown, (3-6)\u00a0los valores del campo coercitivo (HC<\/sub>) esperados para parti\u0301culas monodominio con anisotropi\u0301a de forma son mayores que los observados experimentalmente. (5) Esto es, probablemente, debido a que las ecuaciones lineales de Brown solamente se han podido resolver anali\u0301ticamente, imponiendo fuertes restricciones que se alejan de las caracteri\u0301sticas de los sistemas reales. En particular, estos modelos no consideran los efectos de las interacciones entre las parti\u0301culas ni contribuciones adicionales a la anisotropi\u0301a efectiva del sistema, como las de la anisotropi\u0301a de superficie (7) y la anisotropi\u0301a de intercambio magne\u0301tico. (8,9) Por tanto, sus estimaciones no deben considerarse como un ca\u0301lculo riguroso, sino como un estudio del caso ideal, u\u0301til como gui\u0301a para entender la complejidad del caso realista. (5)<\/p>\n Otro modelo teo\u0301rico empleado frecuentemente para explicar los valores del campo coercitivo de nanoestructuras con anisotropi\u0301a de forma, como nanoelipsoides (4) y nanoalambres, (10,11) es el modelo de las cadenas de esferas de Jacobs y Bean. (2) En e\u0301ste se estudian los procesos de inversio\u0301n de la magnetizacio\u0301n que pueden ocurrir en cadenas lineales de esferas monodominio. (2) Sin embargo, es importante destacar que la gran mayori\u0301a de los sistemas experimentales estudiados no esta\u0301n constituidos realmente por cadenas de esferas. (12) Es interesante sen\u0303alar a este respecto que los nanocristales magne\u0301ticos biomineralizados intracelularmente por bacterias magnetota\u0301cticas presentan excelentes cualidades para el estudio experimental de nanocadenas magne\u0301ticas. Tales nanocristales, denominados magnetosomas<\/em>, generalmente se alinean en el interior de las bacterias, en una o ma\u0301s cadenas lineales con sus ejes de fa\u0301cil magnetizacio\u0301n, alineados preferentemente a lo largo del eje de la cadena, y proporcionan a la bacteria un momento magne\u0301tico neto que le sirve como magnetorrecepctor de las li\u0301neas de fuerza del campo magne\u0301tico terrestre. (13-15) Desafortunadamente, los problemas que entran\u0303an el cultivo masivo de dichas bacterias dificultan la explotacio\u0301n comercial y cienti\u0301fica de dichos magnetosomas. (14,15)<\/p>\n<\/div>\n En trabajos recientes, desarrollados por los autores, se han disen\u0303ado e implementado algunas estrategias de si\u0301ntesis para la preparacio\u0301n de nanoelipsoides magne\u0301ticos uniformes de Fe y FeCo con microestructuras disen\u0303adas. (16-18) Estas nanoestructuras presentan el gran atractivo de combinar una morfologi\u0301a elipsoidal con una microestructura constituida por cadenas de nanocristales magne\u0301ticos monodominio alineados con orientaciones controlables, y presentan claras semejanzas con los magnetosomas de la bacteria magnetota\u0301ctica. El me\u0301todo empleado se basa en la si\u0301ntesis y posterior reduccio\u0301n con hidro\u0301geno de nanocristales de hematites autoensamblados en nanoarquitecturas alargadas. En estos trabajos se lograron controlar de manera flexible la composicio\u0301n y la elongacio\u0301n de los nanoelipsoides finales, la orientacio\u0301n de los cristalitos monodominio magne\u0301ticos (con las direcciones <110> o <001>, aproximadamente orientadas a lo largo del eje longitudinal del nanoelipsoide), su taman\u0303o (de 32 a 16 nm) y el tipo de sus arreglos (cadenas simples, cadenas dobles frustradas y cadenas dobles), mediante la modificacio\u0301n controlada de la relacio\u0301n axial de las nanoestructuras de hematites iniciales, el tiempo de reduccio\u0301n y la presencia de recubrimientos adicionales.<\/p>\n En el presente arti\u0301culo se hace una revisio\u0301n de este me\u0301todo enfocada en el estudio detallado de la evolucio\u0301n de la microestructura de nanoelipsoides de hierro y sus respuestas magne\u0301ticas en funcio\u0301n del tiempo empleado en el proceso de reduccio\u0301n. En la explicacio\u0301n de las propiedades magne\u0301ticas, se hace especial e\u0301nfasis en la competencia entre los efectos de las interacciones magnetosta\u0301ticas entre los nanoelipsoides y las anisotropi\u0301as de forma y de intercambio magne\u0301tico, comparando los valores de coercitividad obtenidos experimentalmente con los predichos por el modelo de las cadenas. Ma\u0301s informacio\u0301n sobre el me\u0301todo desarrollado y las dependencias de las propiedades fi\u0301sico-qui\u0301micas de los nanoelipsoides con otros para\u0301metros de si\u0301ntesis se encuentra en otras publicaciones recientes. (16-18)<\/p>\n TE\u0301CNICAS EXPERIMENTALES<\/strong><\/p>\n Preparacio\u0301n de las muestras<\/strong><\/p>\n El me\u0301todo empleado para la obtencio\u0301n de nanoelipsoides magne\u0301ticos se basa en la reduccio\u0301n controlada de nanoarquitecturas autoensambladas de hematites en atmo\u0301sferas de hidro\u0301geno. (16)<\/p>\n Las nanoparti\u0301culas de hematites (\u03b1-Fe2O3) precursoras se sintetizaron mediante la hidro\u0301lisis de soluciones acuosas de hierro (III), inducida a 100\u00b0C con la presencia de urea.19-21 Para ello, se calentaron en un horno a 100\u00b0C soluciones acuosas con 0.1 M de perclorato de hierro (III), 0.1 M de urea y 4.5 mmol dm-3 de fosfato dihidrogenado de sodio. Du- rante este proceso, las soluciones se mantuvieron inalteradas en tubos de ensayo cerrados durante 48 horas.<\/p>\n Para obtener nanoelipsoides de hierro, la muestra de hematites se redujo a \u03b1-Fe, mediante tratamientos te\u0301rmicos, bajo un flujo continuo de gas hidro\u0301geno (99,99%). (16,21) El flujo de hidro\u0301geno aplicado fue de 40 l\/h, la temperatura de tratamiento te\u0301rmico fue de 400\u00b0C y el tiempo de reduccio\u0301n, tR, vario\u0301 en diferentes experimentos, fija\u0301ndolo en 0.5, 1, 2, 3, 4 o 5 horas. Las muestras obtenidas se identificaron segu\u0301n estos tiempos: Fe-0.5h, Fe-1h, Fe-2h, Fe-3h, Fe-4h y Fe-5h, respectivamente. Luego, con la finalidad de pasivar la superficie de las parti\u0301culas de \u03b1- Fe y evitar una oxidacio\u0301n posterior de la muestra al ponerla en contacto con el aire, se hizo incidir sobre las muestras gas N2 previamente burbujeado en un matraz que conteni\u0301a etanol.<\/p>\n<\/div>\n Para dispersar las parti\u0301culas de la muestra Fe-4h en una matriz de alcohol polivini\u0301lico (PVA), las parti\u0301culas se dispersaron en una solucio\u0301n acuosa de PVA con una relacio\u0301n en peso de 1.8% en agitacio\u0301n meca\u0301nica vigorosa a 90\u00b0C durante 30 minutos. Despue\u0301s, la solucio\u0301n se congelo\u0301 bruscamente con nitro\u0301geno li\u0301quido y se dejo\u0301 secar la suspensio\u0301n resultante a temperatura ambiente durante diez di\u0301as.<\/p>\n Te\u0301cnicas de caracterizacio\u0301n<\/strong><\/p>\n Se realizaron mediciones de difraccio\u0301n de rayos X (DRX) para identificar las fases presentes en las muestras con un difracto\u0301metro Siemens D5000, con radiacio\u0301n K\u03b1 de Cu. Las longitudes de coherencia media (LCM) perpendiculares a los planos cristalogra\u0301ficos de las muestras (determinados mediante los i\u0301ndices de Miller h, k y l) se denotaron con\u00a0Dhkl<\/sub>, y se calcularon con la ecuacio\u0301n de Scherrer: (22)<\/p>\n donde \u03bb es la longitud de onda de los rayos X, \u03b2 es el ancho del pico de difraccio\u0301n, y \u03b8 es el a\u0301ngulo de\u00a0difraccio\u0301n. El taman\u0303o y forma de las parti\u0301culas se examinaron por microscopi\u0301a electro\u0301nica de barrido\u00a0(MEB) con un microscopio NanoSEM FEI-Nova 200, y por microscopi\u0301a electro\u0301nica de transmisio\u0301n (MET) con un microscopio FEI-TITAN kV 80-300, operando con un voltaje de 300 kV. Las muestras se depositaron sobre rejillas de cobre tipo lacey-carbon<\/em>. Durante los estudios de MET y MEB no hubo evidencia de transformaciones estructurales o qui\u0301micas de las muestras. Los valores promedio y desviacio\u0301n esta\u0301ndar de la longitud y anchura de las parti\u0301culas se determinaron mediante un ana\u0301lisis estadi\u0301stico de las dimensiones observadas en las micrografi\u0301as MET de ma\u0301s de 100 parti\u0301culas.<\/p>\n Para obtener ma\u0301s informacio\u0301n acerca de la microestructura de las parti\u0301culas, se utilizo\u0301 difraccio\u0301n de electrones de a\u0301rea seleccionada y microscopi\u0301a electro\u0301nica de transmisio\u0301n de alta resolucio\u0301n. Las ima\u0301genes de microscopi\u0301a electro\u0301nica de transmisio\u0301n de alta resolucio\u0301n se analizaron al hacer transformadas ra\u0301pidas de Fourier (FFT). Las medidas magne\u0301ticas se llevaron a cabo con un magneto\u0301metro de muestra vibrante S-VSM (Quantum Design), midiendo las muestras en forma de polvo compactado o embebidas en PVA.\u00a0El volumen de activacio\u0301n Va<\/sub> se determino\u0301 con la siguiente ecuacio\u0301n: (23)<\/p>\n donde KB<\/sub> es la constante de Boltzmann, T es la temperatura, Hf<\/sub> es el campo de fluctuacio\u0301n, y MS<\/sub> es la magnetizacio\u0301n de saturacio\u0301n. El valor de Hf<\/sub> se determino\u0301 como la relacio\u0301n entre la viscosidad magne\u0301tica (S) y la susceptibilidad irreversible (\u03c7irr<\/sub>) del sistema. Para determinar el coeficiente S, la muestra estudiada se saturo\u0301 previamente con un campo positivo (+3T). Despue\u0301s, se aplico\u0301 un campo desmagnetizador (un campo negativo), HD<\/sub>, y se midio\u0301 la magnetizacio\u0301n en funcio\u0301n del tiempo. Esta medicio\u0301n se repitio\u0301 con diferentes valores de HD<\/sub>. Los valores de S se obtuvieron mediante el ajuste de las curvas de tiempo\u00a0experimentales M vs. tiempo, con la siguiente expresio\u0301n:<\/p>\n<\/div>\n De esta manera, la viscosidad magne\u0301tica se obtuvo como una funcio\u0301n de los campos HD<\/sub>. El ma\u0301ximo de esta funcio\u0301n fue el utilizado en la estimacio\u0301n de Va<\/sub>. El procedimiento para determinar el valor de la susceptibilidad irreversible fue el siguiente: en primer lugar, se aplico\u0301 un campo (+3T) para saturar la muestra. Despue\u0301s se aplico\u0301 y removio\u0301 un campo desmagnetizador HD<\/sub>. En seguida se registro\u0301 el valor de la magnetizacio\u0301n remanente como una funcio\u0301n de HD<\/sub>. La curva M vs. HD<\/sub> obtenida es la denominada\u00a0curva de desmagnetizacio\u0301n<\/i>\u00a0DC (DCD, por sus siglas en ingle\u0301s). La derivada de esta curva da la dependencia de la susceptibilidad irreversible con HD<\/sub>. El valor ma\u0301ximo fue el considerado en la estimacio\u0301n de Va<\/sub>.<\/p>\n RESULTADOS Y DISCUSIO\u0301N<\/strong><\/p>\n Estudio de las nanoarquitecturas elipsoidales de hematites<\/strong><\/p>\n El patro\u0301n de DRX de la muestra precursora (figura 1a) corresponde a una u\u0301nica fase cristalina de hematites (Joint Committee on Powder Diffraction Standards fichero No. 33-0664).<\/p>\n Las micrografi\u0301as de MEB y de MET revelaron que esta muestra esta\u0301 constituida por nanoelipsoides planos uniformes con un ancho promedio de 55 \u00b1 5 nm, y una longitud promedio de 245 \u00b1 25 nm. Dada su morfologi\u0301a aplanada, los nanoelipsoides tendieron a caer sobre las rejillas MET, con su plano para- lelo al de las rejillas, y no en una posicio\u0301n inclinada.<\/p>\n Las ima\u0301genes de MET (figura 2b) mostraron que estos nanoelipsoides tienen una estructura granulada formada por pequen\u0303as unidades nanome\u0301tricas autoensambladas. Esta estructura es consistente con\u00a0el mecanismo de formacio\u0301n propuesto por Ocan\u0303a et al.,20 basado en la agregacio\u0301n esponta\u0301nea de parti\u0301culas primarias de \u03b1-Fe2O3. Las micrografi\u0301as MET de alta resolucio\u0301n (figura 2c) mostraron que las unidades nanome\u0301tricas son monocristales altamente orientados dentro de los nanoelipsoides, con la direccio\u0301n cristalogra\u0301fica <0001> dirigida a lo largo del eje del nanoelipsoide (figura 3).\u00a0Cabe destacar que las longitudes de coherencia medias (LCM) estimadas a partir de las curvas de DRX (D104<\/sub> = 44 nm) presentan valores ma\u0301s pro\u0301ximos a las dimensiones de los agregados que al taman\u0303o de los nanocristales. La orientacio\u0301n de los nanocristales tambie\u0301n fue confirmada mediante estudios de patrones de difraccio\u0301n de electrones de un nanoelipsoide aislado. En la figura 2d se muestra un patro\u0301n ti\u0301pico constituido por spots ligeramente alargados (formando pequen\u0303os arcos) que pueden indexarse en el eje de zona [1-10] de la hematites. Esto confirma que los nanocristales de \u03b1\u2212Fe2O3 esta\u0301n altamente orientados. El a\u0301ngulo ma\u0301ximo de desorientacio\u0301n estimado al medir el arco definido por los spots fue de 10\u00b0 (figura 2d).<\/p>\n La morfolog\u00eda de estas nanoarquitecturas y la alta orientaci\u00f3n de los nanocristales que las constituyen, ambas fundamentales para el estudio presente, se relacionan directamente con la concentraci\u00f3n relativa de aniones PO4<\/sub>-3<\/sup> en el medio de reacci\u00f3n. (16) Dadas las relaciones estereoqu\u00edmicas y geom\u00e9tricas entre este\u00a0aditivo y los planos cristalogr\u00e1ficos de la hematites, los monocristales de \u0303\u03b1-Fe2O3 adsorben de forma selectiva los aniones PO4<\/sub>-3<\/sup> \u00a0en las caras superficiales paralelas al eje c.24,25 Esta adsorci\u00f3n selectiva prove a la superficie de los nanocristales de una distribuci\u00f3n de cargas el\u00e9ctricas que introduce nuevas interacciones anis\u00f3tropas en el sistema, las cuales determinan la direcci\u00f3n [001] como la preferencial para la agregaci\u00f3n de los nanocristales, y favorecen la formaci\u00f3n de nanoarquitecturas pseudomonocristalinas <\/i>con una morfolog\u00eda alargada. (16)<\/p>\n Estudio microestructural y morfolo\u0301gico de los nanoelipsoides de Fe<\/strong><\/p>\n Las curvas de DRX de las muestras obtenidas en diferentes etapas del proceso de reduccio\u0301n (figura 1a) indicaron que se empiezan a formar nu\u0301cleos de hierro meta\u0301lico a partir de los 30 minutos del tratamiento de reduccio\u0301n.<\/p>\n Los estudios por MET mostraron que la uniformidad y morfologi\u0301a de los nanoelipsoides no experimentaron cambios significativos despue\u0301s de aplicar los tratamientos te\u0301rmicos; sin embargo, se observo\u0301 que las dimensiones de los nanoelipsoides se reducen ligeramente, segu\u0301n se aumenta el tiempo de reduccio\u0301n (figuras 4, 5 y 6). Las ima\u0301genes de MET de alta resolucio\u0301n mostraron que los nanocristales de hematites iniciales experimentaron un crecimiento secundario por coalescencia, al mismo tiempo que se transformaron a Fe meta\u0301lico y formaron nanocristales magne\u0301ticos ensamblados en las nanoestructuras nanoelipsoidales. Estos nanocristales aparecen en las ima\u0301genes MET recubiertos por una capa superficial en tono ma\u0301s claro, cuyo espesor tiende a disminuir, segu\u0301n aumenta el tiempo de reduccio\u0301n. Este recubrimiento corresponde a la capa superficial de o\u0301xido formada durante el proceso controlado de pasivacio\u0301n.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n Fig. 1. a) Patrones de DRX de los nanoelipsoides de hematites, antes y despue\u0301s de someterlos a un tratamiento te\u0301rmico en una atmo\u0301sfera de H2 durante 0.5, 1 y 4 horas. b) Evolucio\u0301n de D110 y el campo coercitivo de los nanoelipsoides con el tiempo empleado en los tratamientos te\u0301rmicos.<\/p>\n Fig. 2. Micrografi\u0301as de MET y MEB de los nanoelipsoides de hematites: a) Imagen de MEB. b) Ima\u0301genes de MET de un nanoelipsoide. c) Imagen MET de alta resolucio\u0301n del mismo nanoelipsoide de la imagen b). La figura interior es la correspondiente imagen FFT. d) Patro\u0301n de difraccio\u0301n de electrones del nanoelipsoide de la imagen b).<\/p>\n Las ima\u0301genes MET de alta resolucio\u0301n y los patrones de difraccio\u0301n de electrones mostraron que tambie\u0301n el tipo de arreglo y la orientacio\u0301n de dichos nanocristales variaron con el tiempo de reduccio\u0301n. En la figura 4b se muestra una imagen de alta resolucio\u0301n de un nanoelipsoide tratado durante una hora. En esta imagen se distingue el corazo\u0301n meta\u0301lico del\u00a0nanoelipsoide visto en la direccio\u0301n <-111> (ver imagen FFT en el recuadro) con los planos (110) del \u03b1- Fe orientados en la direccio\u0301n perpendicular de la parti\u0301cula (ver representacio\u0301n esquema\u0301tica en la figura 3). Por otro lado, se observa que la capa de o\u0301xido superficial esta\u0301 formada por nanocristales no orientados. La estructura corazo\u0301n\/coraza de estos nanoelipsoides se evidencio\u0301 claramente en las ima\u0301genes obtenidas mediante los filtrados, en el espacio de Fourier, de los spots<\/em> correspondientes a cada fase y empleando el algoritmo de la inversa FFT (figuras 4d y e).<\/p>\n Fig. 5. a) y b) Ima\u0301genes de MET de la muestra obtenida despue\u0301s de aplicar el tratamiento te\u0301rmico de reduccio\u0301n durante dos horas. La flecha discontinua indica la direccio\u0301n del eje de un nanoelipsoide. c) Imagen de MET de alta resolucio\u0301n de la seccio\u0301n del nanoelipsoide de la imagen b) marcado con un recuadro; d) y e) ima\u0301genes FFT de las secciones marcadas en la imagen c. El patro\u0301n de la imagen d) corresponde al eje de zona [-111] del \u03b1-Fe. El patro\u0301n de la imagen e) se ha indexado con el eje de zona [110] de la magnetita.<\/p>\n Estas observaciones son consistentes con los ana\u0301li- sis de difraccio\u0301n de electrones. El patro\u0301n presentado en la figura 4c esta\u0301 formado por spots ligeramente alargados que pueden indexarse con el eje de zona [-111] del \u03b1-Fe. Adema\u0301s, tambie\u0301n se distinguen en este patro\u0301n varios anillos bien definidos, asociados a un o\u0301xido de hierro con estructura tipo espinela (Fe3<\/sub>O4<\/sub> o \u03b3- Fe2O3). Estos resultados sugieren que los nu\u0301cleos meta\u0301licos del nanoelipsoide son monocristales de \u03b1- Fe, y que esta\u0301n orientados con la direccio\u0301n [110] (que\u00a0es la direccio\u0301n del eje magne\u0301tico medio para un cristal \u03b1-Fe con anisotropi\u0301a magnetocristalina predominante), a lo largo del eje del nanoelipsoide. Adema\u0301s, tambie\u0301n se concluye que los nu\u0301cleos de \u03b1-Fe esta\u0301n recubiertos por una capa delgada de o\u0301xido superficial compuesta de pequen\u0303os cristalitos desorientados.<\/p>\n Despue\u0301s de dos horas de aplicar el tratamiento te\u0301rmico de reduccio\u0301n, se observo\u0301 que el taman\u0303o de los nu\u0301cleos de hierro aumento\u0301 y que, en algunos nanoelipsoides, tendieron a ordenarse formando cadenas dobles (figura 5a). Las ima\u0301genes de MET de alta resolucio\u0301n mostraron que los nu\u0301cleos de Fe meta\u0301lico permanecieron orientados con la direccio\u0301n [110], aproximadamente, dirigida a lo largo del eje de los nanoelipsoides (figuras 5c-e). Por otra parte, se observo\u0301 que algunos de los cristalitos de la capa superficial de o\u0301xido tienden a orientarse con las direcciones <110> y <001> paralelas a las direcciones <111> y <110> del Fe, respectivamente (figura 3).<\/p>\n Los nanoelipsoides tratados durante cuatro horas presentaron caracteri\u0301sticas microestructurales substancialmente diferentes (figura 6). Dichos nanoelipsoides exhibieron una estructura peculiar formada por un nanocristal de hierro en cada extremo de la parti\u0301cula y dos cadenas lineales de nanocristales en el centro de la parti\u0301cula. A este tipo de arreglo lo denominamos cadenas dobles frustradas<\/em> (ver figura 6b y la representacio\u0301n esquema\u0301tica en la figura 3). Aunado a este cambio de arreglo de los nanocristales, se observo\u0301 una pequen\u0303a disminucio\u0301n en los valores de D110 (figura 1a).<\/p>\n La figura 6c muestra un patro\u0301n ti\u0301pico de difraccio\u0301n de electrones de un nanoelipsoide de esta muestra. Los spots<\/em> observados pueden indexarse con el eje de zona [211] de la magnetita. Algunos de e\u0301stos aparecen reforzados, probablemente debido a la superposicio\u0301n de spots<\/em> correspondientes a los planos (044) de la espinela y (002) del \u03b1-Fe (figura 6c). Esto\u00a0sugiere que los nu\u0301cleos de hierro esta\u0301n bien alineados, y que su orientacio\u0301n esta\u0301 relacionada con la orientacio\u0301n de la capa de o\u0301xido. La relacio\u0301n propuesta por Nishiyama-Wassermann (26-28) para las orientaciones de materiales con fases cu\u0301bica centrada en las caras y cu\u0301bica centrada en el cuerpo (esto es, {1-10}Fe<\/sub> || {1- 11}espinela<\/sub> y <001>Fe<\/sub> || <0-11>espinela<\/sub> o {-110}Fe<\/sub> || {-111}espinela<\/sub> y <110>Fe<\/sub> || <211>espinela<\/sub>) es consistente con estos resultados. Asumiendo esta relaci\u00f3n epitaxial bien conocida, la direcci\u00f3n <-111> del \u00f3xido (que se en- cuentra aproximadamente a lo largo del eje longitudinal de la particular (16)) debe coincidir con la direcci\u00f3n <1-10> del \u00e1-Fe, y la direcci\u00f3n [001] (es decir, la direcci\u00f3n del eje de f\u00e1cil magnetizaci\u00f3n para un cristal de \u00e1-Fe con anisotrop\u00eda magnetocristalina predominante) debe ser perpendicular al eje del nanoelipsoide (figura 3).<\/p>\n<\/div>\n Cuando el tratamiento te\u0301rmico se extendio\u0301 hasta cinco o ma\u0301s horas, la uniformidad y la morfologi\u0301a\u00a0elipsoidal de las parti\u0301culas se perdio\u0301 debido a procesos de sinterizacio\u0301n.<\/p>\n<\/div>\n Las propiedades microestucturales de los nanoelipsoides obtenidos convierten a este sistema de nanoparti\u0301culas en un excelente modelo experimental, u\u0301til para la contrastacio\u0301n y complementacio\u0301n de diversos modelos teo\u0301ricos micromagne\u0301ticos.<\/p>\n Con el fin de confirmar la naturaleza magne\u0301tica monodominio de los nu\u0301cleos meta\u0301licos de los nanoelipsoides, se estimo\u0301 su volumen de activacio\u0301n Va<\/sub>. Este para\u0301metro indica cua\u0301l es el volumen efectivo en el que se produce la rotacio\u0301n coherente de los momentos ato\u0301micos. (23) La estimacio\u0301n de Va<\/sub> se realizo\u0301 asumiendo una forma esfe\u0301rica perfecta y con el protocolo descrito en la seccio\u0301n de te\u0301cnicas experimentales. La figura 7 muestra la dependencia de la susceptibilidad irreversible y la viscosidad magne\u0301tica de los nanoelipsoides tratados durante cuatro horas, en funcio\u0301n del campo desmagnetizador aplicado. El valor estimado de Va<\/sub> para esta muestra fue de 7,570 nm3, siendo \u223c24 nm el dia\u0301metro efectivo asociado a este volumen. Este taman\u0303o es muy cercano al dia\u0301metro medio de los nanocristales observados por MET y a la longitud de coherencia media perpendicular al plano (110), D110, los cuales, a su vez, son menores que el taman\u0303o cri\u0301tico monodominio esperado para el \u03b1-Fe. Estos datos indican que los nanocristales meta\u0301licos son monodominios magne\u0301ticos, y que el mecanismo de inversio\u0301n de la magnetizacio\u0301n de los nanoelipsoides se lleva a cabo mediante un modo de inversio\u0301n incoherente.<\/p>\n En la figura 1b se presenta la dependencia del campo coercitivo de los nanoelipsoides, medido a temperatura ambiente, en funcio\u0301n del tiempo empleado en los tratamientos te\u0301rmicos. Se observo\u0301 que HC<\/sub>\u00a0aumento\u0301 con el incremento del tiempo de reduccio\u0301n hasta las cuatro horas. Esto sugiere que la anisotropi\u0301a efectiva del sistema aumenta con la formacio\u0301n de cadenas dobles frustradas. A partir de este\u00a0tiempo, el valor de HC<\/sub> disminuye, porque las nanopart\u00edculas empiezan a perder su morfolog\u00eda anisotr\u00f3pica debido a crecimientos por sinterizaci\u00f3n.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n Las propiedades magne\u0301ticas de la muestra obtenida a las cuatro horas de tratamiento se compara- ron con las predicciones del modelo de las cadenas de esferas de Jacobs y Bean. (2) En este modelo, so\u0301lo se consideran las interacciones magnetosta\u0301ticas entre las esferas, de modo que se desprecian los efectos de las interacciones entre cadenas, de la agitacio\u0301n te\u0301rmica y de fuentes de anisotropi\u0301a magne\u0301tica, como las anisotropi\u0301as magnetocristalina, de superficie y de intercambio magne\u0301tico. En el ana\u0301lisis presente, se consideran dos mecanismos de inversio\u0301n de la magnetizacio\u0301n propuestos por Jacobs y Bean: la rotacio\u0301n de los momentos magne\u0301ticos en paralelo y la rotacio\u0301n sime\u0301trica en abanico (\u201cfanning\u201d), (2) los cuales se representan esquema\u0301ticamente en la figura 6d. De acuerdo con este modelo, un conjunto de cadenas lineales con un nu\u0301mero n<\/em> de esferas monodominio, alineadas en paralelo con la direccio\u0301n del campo aplicado y cuya inversio\u0301n de la magnetizacio\u0301n se produce a trave\u0301s del mecanismo de rotacio\u0301n paralela, tienen un campo coercitivo que se estima con la siguiente expresio\u0301n:<\/p>\n El valor de HC<\/sub> a temperatura ambiente de la muestra obtenida a las cuatro horas de tratamiento fue \u223c950 Oe, cuando se midio\u0301 en forma de polvo compactado. Este valor es considerablemente ma\u0301s grande que el campo coercitivo ma\u0301ximo calculado para una parti\u0301cula monodominio de \u03b1-Fe con una anisotropi\u0301a magnetocristalina predominante (Hc=2K1<\/sub> \/MS<\/sub> \u2248560 Oe, donde K1<\/sub> es la constante de anisotropi\u0301a) (29), y notablemente mayor que los valores observados en nanopart\u00edculas de hierro con un di\u00e1metro alrededor de 30 nm, a temperatura ambiente. (30,31) Esto sugiere que la anisotrop\u00eda de forma es la fuente de anisotrop\u00eda predominante en el sistema a temperatura ambiente. No obstante, los valores de HC<\/sub> predichos por el modelo de las cadenas de esferas, al asumir el mecanismo de rotacio\u0301n coherente y la rotacio\u0301n sime\u0301trica en abanico, son considerablemente mayores que los obtenidos experimentalmente (1,615 y 1,470 Oe, respectivamente, ambos calculados considerando el nu\u0301mero promedio de cristales alineados n\u22486 y una orientacio\u0301n de las cadenas aleatoria). Esta diferencia entre los valores experimentales y los esperados puede atribuirse principalmente a los efectos te\u0301rmicos y a los efectos de las interacciones entre las cadenas, que no se consideran en este modelo, y que deben conducir a la reduccio\u0301n del campo coercitivo del arreglo de nanoelipsoides.32 Para reducir la importancia de estos efectos en los resultados experimentales, los nanoelipsoides se dispersaron en una matriz de PVA, con una concentracio\u0301n de nanoelipsoides en peso de 1.8%, y se midio\u0301 el ciclo de histe\u0301resis magne\u0301tica a 2 K, despue\u0301s de enfriar la muestra en ausencia de campos magne\u0301ticos (figura 8). La coercitividad medida en estas condiciones fue de 1,415 Oe (es decir, 96% del valor teo\u0301rico del modelo de rotacio\u0301n sime\u0301trica en abanico).<\/p>\n![\"Imagen1elipsada\"](\"http:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/wp-content\/uploads\/2014\/01\/Imagen1elipsada.jpg\")
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