Nanohilos magnéticos

Esta semana os hablaremos de los nanohilos magnéticos, los cuales os introducimos en el artículo de Objetos nanométricos. Los nanohilos magnéticos son cilindros que contienen algún material ferromagnético como Ni, Fe o Co, cuyo radio está entre los 5 y los 500 nm y cuya longitud llega a ser de hasta 60μm, siendo por lo tanto sistemas 1-dimensionales.

Fabricación y caracterización

Uno de los métodos más empleados para crecer nanohilos es la electrodeposición, debido a su bajo coste de fabricación y a la amplia variedad de materiales y configuraciones que se pueden producir. Una célula electrolítica consiste típicamente en tres electrodos (“Working electrode (WE)”, “Counter electrode (CE)” y “Reference Electrode (RE)”) sumergidos en una disolución formada por electrolitos.

Figura 1: Célula electrolítica (Fuente: Characterization of magnetic nanostructures by magnetic force microscopy. Michal Stano).

Se aplica una diferencia de potencial entre el WE, que contiene la plantilla de alúmina porosa con huecos cilíndricos donde se depositará el material de los nanohilos, y el CE, mientras que el RE se usa como referencia para el potencial. Existe por lo tanto un campo eléctrico perpendicular al WE que da electrones a los iones de la solución, formando compuestos neutros que preferirán adherirse al WE en lugar de permanecer disueltos. El voltaje aplicado se mide respecto al RE, pero la corriente fluye en realidad entre el WE y el CE. Posteriormente, se disuelve la plantilla de alúmina y se obtienen los nanohilos magnéticos con un imán.

Para poder entender los nanohilos magnéticos conviene explicar antes el concepto de anisotropía magnética: los materiales anisotrópicamente magnéticos son aquellos en los que existe una dirección preferencial para la imanación cuando se aplica un campo magnético denominada eje fácil, debido a que es la más favorable energéticamente para la orientación de los momentos magnéticos. La anisotropía magnética es la suma de dos contribuciones:

  1. Anisotropía de forma: se debe a la interacción dipolar del momento magnético de cada átomo con el campo generado por todos los demás átomos de su alrededor, y depende de la propia forma y simetría de la muestra.
  2. Anisotropía magnetocristalina: se debe a la interacción de los momentos magnéticos con el campo cristalino.

Para estudiar los nanohilos magnéticos se puede emplear un microscopio de fuerzas magnéticas (MFM), el cual os explicamos ya en el artículo Las microscopías de campo cercano. Con este tipo de microscopio podemos obtener simultáneamente tanto la imagen de la topografía del nanohilo para medir su longitud y su diámetro, como su imagen magnética, para medir el gradiente de fuerza en los polos del mismo.

Cuando se quiere estudiar una muestra que contiene nanohilos magnéticos, es conveniente comprobar con un microscopio óptico de campo oscuro (DFM) que hay nanohilos en el substrato antes de estudiarlos con el microscopio de fuerzas, ya que con éste último se van barriendo pequeñas regiones de la muestra hasta que se logra localizar y medir las imágenes de uno solo de los nanohilos.

Ejemplos

A continuación se muestran ejemplos concretos de nanohilos magnéticos presentando sus dimensiones y sus imágenes de microscopía MFM.

Nanohilos de Ni

Presentan un diámetro constante y no tienen un recubrimiento protector, como se muestra en el siguiente esquema:

Figura 2: Esquema de los nanohilos de Ni.

Al observarlos con el filtro de campo oscuro del microscopio óptico se obtiene la siguiente imagen:

Figura 3: Nanohilos de Ni observados con un DFM.

Cuando se estudia un solo nanohilo con el MFM, se obtienen los siguientes resultados:

Figura 4: Topografía (izqda.) e imagen magnética (dcha.) de un nanohilo de Ni.

En la imagen magnética se pueden observar los contrastes atractivo (en blanco) y repulsivo (en negro) en ambos extremos del nanohilo de Ni. Entre ambos, existe una línea de color negro que se debe a la interacción electrostática con restos que pudieran haber quedado en el nanohilo de la plantilla de alúmina con la que se fabricaron.

Nanohilos de FeCo

Presentan dos zonas con diferentes longitudes y diámetros. Respecto a su fabricación, destaca el hecho particular de que una vez se ha depositado el material en el segmento más estrecho, se ensancha el poro de la membrana mediante anodización antes de depositar el segmento más ancho. Además, la membrana de alúmina porosa lleva incorporada una capa de óxido de silicio crecida capa a capa para proteger a los nanohilos.

Figura 5: Esquema de los nanohilos de FeCo.

Al observarlos con el filtro de campo oscuro del microscopio óptico se obtiene la siguiente imagen:

Figura 6: Nanohilos de FeCo observados con un DFM.

Cuando se estudia un solo nanohilo con el MFM, se obtienen los siguientes resultados:

Figura 7: Topografía (izqda.) e imagen magnética (dcha.) de un nanohilo de FeCo.

En la imagen magnética de todo el nanohilo se pueden observar 3 polos: uno repulsivo y dos atractivos, entre los que apenas está presente la interacción electrostática, de un nanohilo de FeCo adherido a un objeto no magnético que se encontraba en la muestra. El polo negativo del medio es el que se forma en la zona del diámetro modulado debido a la acumulación de carga magnética.

Nanohilos de AuNiAu

Este tipo de nanohilos magnéticos combina un material no magnético (Au) con uno magnético (Ni), lo cual permite distinguir las señales electrostática y magnética con el MFM. El proceso de fabricación es el mismo que en los casos anteriores, pero aquí se van aplicando diferentes voltajes durante distintos tiempos según se quiera depositar Au o Ni.

Figura 8: Esquema de los nanohilos de AuNiAu.

Al observarlos con el filtro de campo oscuro del microscopio óptico se obtiene la siguiente imagen:

Figura 9: Nanohilos de AuNiAu observados con un DFM.

Cuando se estudia un solo nanohilo con el MFM, se obtienen los siguientes resultados:

Figura 10: Topografía (izqda.) e imagen magnética (dcha.) de un nanohilo de AuNiAu (lejos).

Como se puede observar, a pesar de que el nanohilo está formado por 3 segmentos diferentes y la topografía no cambia a lo largo del mismo, solo se observan los dominios magnéticos en el segmento central del mismo, el de níquel, ya que el oro no es ferromagnético. Si se toman nuevas imágenes de este mismo nanohilo, pero solo de su parte de central para estudiarla más en profundidad se obtiene:

Figura 11: Topografía (izqda.) e imagen magnética (dcha.) de un nanohilo de AuNiAu (cerca).

En la imagen magnética ampliada se pueden observar los contrastes magnéticos en ambos extremos del fragmento del nanohilo de Ni, pero la interacción electrostática se ve que es bastante importante en la imagen ampliada.

Aplicaciones

Dentro de las aplicaciones en el campo de la biología, se encuentran ejemplos del uso de nanohilos magnéticos en procesos de tratamiento de cáncer, ya que se ha demostrado que los nanohilos de Ni se pueden adherir a las células de los mamíferos, lo que permite tanto romperlas como formar colonias con geometrías determinadas cuando se aplica un campo magnético externo.

Figura 12: Uso de nanohilos magnéticos para destruir una célula cancerosa. (Fuente: http://hdl.handle.net/10754/583378)

Los nanohilos multisegmentados, como los de AuNiAu, están siendo objeto de estudio para ser usados como sensores de detección de glucosa. Una posible aplicación de los nanohilos magnéticos fabricados con Co, Fe o Galfenol crecidos en membranas porosas de alúmina es la de su uso como sensores acústicos, constituyendo así el análogo artificial a los cilios, que son sensibles al sonido y al tacto.

Una de las grandes posibilidades de aplicar los nanohilos magnéticos es en el campo del almacenamiento de datos. Las dos formas tradicionales de almacenar información son las memorias de acceso aleatorio (RAM) y los discos duros magnéticos (HDD). Estos últimos están compuestos por unos discos que giran y sobre los que un electroimán va grabando la información al magnetizar hacia arriba o hacia abajo (en función del sentido de la corriente que circula por él) los dominios del material según se quiera grabar un uno o un cero respectivamente.

Los dispositivos microelectrónicos de Si y los HDD están constituidos respectivamente por filas de transistores y bits magnéticos, por lo que la forma de aumentar su capacidad de almacenamiento de información se ha basado tradicionalmente en disminuir el tamaño de dichos elementos. Esta capacidad ha ido evolucionado en el tiempo conforme a la ley de Moore, según la cual el número de transistores por unidad de superficie se duplica cada 2 años. Sin embargo, el hito para los dispositivos de Si no se consiguió el año pasado, lo cual lleva a la búsqueda de formas alternativas de almacenar información.

Figura 13: Número de transistores en los circuitos integrados en periodo 1971-2016. (Fuente: Our World in Data).

Una posibilidad consiste en usar dispositivos 3D denominados memorias “racetrack”, formadas por nanohilos ferromagnéticos, no cilíndricos por ahora, colocados en forma de U como se muestra en la figura. Las paredes de dominio (DWs) se forman entre los dominos imanados en direcciones opuestas y pueden escribirse inyectando pulsos de una corriente polarizada de spín durante nanosegundos en función de si desea escribirse un uno o un cero y leerse usando dispositivos sensibles a la magnetorresistencia formados por uniones túnel magnéticas.

Figura 14: Esquema de funcionamiento de una memoria “racetrack”. (Fuente: 10.1126/science.1145799).

Esta tecnología permite almacenar varios bits de información en cada nanohilo, aumentando así la capacidad de almacenamiento de un dispositivo. Sin embargo, para implementarla es indispensable desarrollar un mecanismo fiable para mover y grabar los DWs, además de entender en profundidad la dinámica de su magnetización y la interacción con la corriente.

BIBLIOGRAFÍA:

  • Trabajo de fin de grado de la autora: Estudio de nanohilos de Ni, FeCo y AuNiAu con microscopía de fuerzas magnéticas. (UAM-CSIC Mayo 2018)
  • Maria F Contreras, Rachid Sougrat, Amir Zaher, Timothy Ravasi, and Jürgen Kosel. Non-chemotoxic induction of cancer cell death using magnetic nanowires.International journal of nanomedicine, 10:2141, 2015.
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  • Stephen Blundell. Magnetism in condensed matter, 2003.
  • Michal Stano. Characterization of magnetic nanostructures by magnetic force microscopy. Tesis doctoral, 2014.

AGRADECIMIENTOS:

  • A mis tutores del TFG Miriam Jaafar y Julio Gómez por todo lo que me han enseñado de AFM y MFM, así como a todo el equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid y del departamento de Física de la Materia Condensada por toda la ayuda prestada.
  • A los fabricantes de los nanohilos empleados en el TFG: Manuel Vázquez (ICMM-CSIC) y Víctor Prida (UniOvi).

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