Influência da arquitetura hierárquica de multi

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5673 (2023) Citar este artigo

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As propriedades magnéticas das nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro são controladas principalmente pelo tamanho das partículas e pela distribuição do tamanho das partículas. As propriedades magnéticas das nanopartículas de óxido de ferro com múltiplos núcleos, muitas vezes chamadas de nanoflores de óxido de ferro (IONFs), são adicionalmente afetadas pela interação de momentos magnéticos entre núcleos vizinhos. O conhecimento sobre a estrutura hierárquica dos IONFs é, portanto, essencial para a compreensão das propriedades magnéticas dos IONFs. Nesta contribuição, a arquitetura de IONFs multi-core foi investigada usando microscopia eletrônica de transmissão multiescala correlativa (TEM), difração de raios X e espalhamento dinâmico de luz. As medições de TEM multiescala compreenderam imagens de baixa e alta resolução, bem como análise de fase geométrica. Os IONFs continham maghemita com composição química média \(\gamma\)-Fe\(_{2,72\pm 0,02}\)O\(_4\). As vagas metálicas localizadas nos sítios da rede octaédrica da estrutura de ferrita espinélio foram parcialmente ordenadas. IONFs individuais consistiam em vários núcleos mostrando frequentemente uma relação de orientação cristalográfica específica entre vizinhos diretos. Esta fixação orientada pode facilitar o alinhamento magnético dentro dos núcleos. Os núcleos individuais eram compostos de nanocristais parcialmente coerentes com quase a mesma orientação cristalográfica. Os tamanhos dos constituintes individuais revelados pela análise da microestrutura foram correlacionados com os tamanhos das partículas magnéticas obtidos a partir do ajuste da curva de magnetização medida pela função de Langevin.

Nas últimas décadas, as nanopartículas magnéticas de óxido de ferro (IONPs) emergiram como um dos nanomateriais mais promissores para aplicações biomédicas, por exemplo, como mediador de calor para tratamento de câncer de hipertermia1, como transportador para administração de medicamentos2 ou como agente de contraste em imagens de ressonância magnética3. As múltiplas aplicações das IONPs surgem de uma combinação de excelentes propriedades, incluindo comportamento superparamagnético, magnetização de alta saturação, boa biocompatibilidade e a possibilidade de funcionalizar IONPs através da ligação de várias moléculas bioativas.

IONPs geralmente consistem em magnetita (Fe\(_3\)O\(_4\)) e/ou maghemita (\(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\)), que cristalizam em um espinélio -estrutura semelhante a cátions de ferro coordenados tetraedricamente e octaedricamente. Magnetita (grupo espacial \(Fd{\bar{3}}m\)) acomoda cátions Fe\(^{2+}\) e Fe\(^{3+}\) nas posições de Wyckoff 8b e 16c, respectivamente4 . Esta distribuição dos cátions garante a neutralidade de carga. No entanto, em contraste com a magnetita, alguns sítios de ferro octaédricos na maghemita devem permanecer vagos para preservar a composição química Fe\(_2\)O\(_3\) que corresponde a Fe\(_{2.67}\)O\(_4\ ) na estrutura cristalina semelhante a espinélio. A sub-rede de oxigênio ainda está totalmente ocupada.

Foi demonstrado que as vagas de Fe tendem a se ordenar, o que leva à formação de diferentes estruturas cristalinas de \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\). A estrutura cristalina de \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\) com vagas distribuídas aleatoriamente ainda pode ser descrita como um espinélio cúbico simples com o grupo espacial \(Fd{\bar{3}} m\)5. \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\) com vagas parcialmente ordenadas apenas em um dos dois sítios octaédricos distintos foi descrito no grupo espacial \(P4_332\)6, \(\gamma\) -Fe\(_2\)O\(_3\) com vagas parcialmente ordenadas em um dos três locais octaédricos distintos no grupo espacial tetragonal \(P4_32_12\) mas com parâmetros de rede quase idênticos a e c7. \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\) com vagas totalmente ordenadas foi descrita como uma superestrutura tetragonal no grupo espacial \(P4_12_12\) com \(c\approx 3a\)8. A ordenação de vagas e a distorção tetragonal da célula unitária do espinélio cúbico foram originalmente relatadas para 'microcristalino' \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\). Porém, os mesmos fenômenos também foram observados nas IONPs9,10,11.