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(Foco Nanowerk) Si bien las investigaciones sobre el magnetismo se habían llevado a cabo antes de 1820, fue el descubrimiento de Hans Christian Ørsted ese año el que realmente estableció el campo del electromagnetismo al demostrar la conexión entre las corrientes eléctricas y los campos magnéticos.
A medida que nuestra comprensión moderna del magnetismo que surge de las propiedades cuánticas de los electrones ha evolucionado, el uso de materiales magnéticos a nanoescala personalizados, como estructuras organometálicas para aplicaciones avanzadas, se ha enfrentado a dos desafíos clave.
En primer lugar, sigue siendo difícil construir de forma fiable estos marcos con disposiciones arquitectónicas específicas y programables. Si bien los avances recientes en la síntesis química son prometedores, los métodos tradicionales a menudo dan como resultado aglomerados aleatorios de nanopartículas que carecen de la resolución submicrónica y el control necesarios para las funcionalidades deseadas.
En segundo lugar, la caracterización eficaz de estas nanoestructuras representa otro obstáculo: las técnicas convencionales de microscopía electrónica a menudo carecen de la resolución espacial y la sensibilidad del campo magnético para estudiar directamente el comportamiento magnético a nanoescala dentro de estas estructuras diseñadas. Establecer correlaciones claras entre los detalles arquitectónicos de los andamios y sus respuestas magnéticas sigue siendo una brecha crítica en nuestro conocimiento.
Ahora, un equipo internacional dirigido por científicos de la Universidad de Fudan en China ha informado sobre un innovador nanomarco magnético que permite la reconfiguración y visualización específicas de líneas de flujo magnético a nanoescala.
Publicado en Materiales funcionales avanzados (“Dispersing Magnetic Nanoparticles into Staggered, Porous Nano-Frameworks: Weaving and Visualizing Nanoscale Magnetic Flux Lines for Enhanced Electromagnetic Absortion”), la investigación describe su cuidadoso “tejido” de líneas de campo magnético a resoluciones submicrométricas utilizando capas escalonadas de nanopartículas magnéticas.
«Dispersamos estratégicamente nanopartículas magnéticas de cobalto en una estructura de carbono nanoporosa con poros superiores e inferiores dispuestos en una formación escalonada», explicó el Dr. Renchao Che, autor principal. «Esta complicada estructura da forma a las líneas de flujo magnético en un patrón de ‘nudo chino’, cambiando así significativamente las propiedades magnéticas del material».
Es importante destacar que el equipo utilizó técnicas avanzadas de holografía electrónica para visualizar directamente las líneas del campo magnético reconstruidas dentro de su nanoestructura. «La innovación de la holografía magnética fue crucial para observar la reorganización del flujo magnético causada por nuestra arquitectura 3D personalizada», dijo el Dr. Che.
Los investigadores demostraron que los nanoporos desplazados mejoraron enormemente la absorción de la radiación de microondas por parte de la nanoestructura, convirtiéndola en un material de protección electromagnética extremadamente eficiente. Según las simulaciones, el nuevo marco exhibe un comportamiento dinámico único, con vórtices magnéticos que se desplazan en respuesta a campos externos.
El magnetismo surge de los espines de la mecánica cuántica de los electrones y sus interacciones. Aunque los comportamientos magnéticos se han estudiado desde la antigüedad, la comprensión científica sólo se desarrolló con el descubrimiento de Ørsted en 1820.
En el siglo XX, los científicos lograron descripciones precisas del magnetismo mediante la mecánica cuántica. Sin embargo, el control fiable del magnetismo seguía siendo difícil de alcanzar. Los materiales magnéticos naturales contienen dominios complejos con alineación semialeatoria de espines de electrones. Además, la observación directa de los intrincados flujos a nanoescala alcanzó los límites de la microscopía.
«Los mayores desafíos fueron encontrar formas de organizar específicamente las nanopartículas magnéticas para que sus espines interactúen de manera controlable y visualizar directamente las líneas de flujo magnético resultantes», explicó el Dr. Che.
Enfoques anteriores habían intentado organizar nanopartículas magnéticas en capas bidimensionales y grupos desordenados tridimensionales. Sin embargo, estas estructuras mostraron una programabilidad limitada a través de los acoplamientos magnéticos entre nanopartículas. Los arreglos aleatorios produjeron sólo comportamientos estadísticos generales y ninguna respuesta técnica predecible.
Además, antes de los avances recientes, incluso observar las firmas magnéticas fundamentales de volúmenes a nanoescala presentaba grandes dificultades. La microscopía convencional carece tanto de la resolución espacial para aislar pequeñas cantidades de nanopartículas como de la sensibilidad del campo magnético para detectar señales sutiles. Por lo tanto, fue imposible correlacionar los conjuntos de nanoestructuras con las líneas de flujo magnético invisibles que crearon.
Estos obstáculos persistentes para el nanoensamblaje preciso y la obtención de imágenes a nanoescala obstaculizaron el progreso en el control nanomagnético durante más de 50 años. Tanto la creación de complicadas nanoestructuras magnéticas como la revelación de sus reacciones detalladas desconcertaron a legiones de científicos durante generaciones. Los desafíos pueden haber parecido insuperables.
Dr. Che y sus colegas se dieron cuenta de que podían combinar nanoarquitectura específica con microscopía holográfica de vanguardia para revelar una región oculta de comportamiento magnético. Se propusieron crear cuidadosamente una matriz nanoporosa llena de cobalto magnético que interactúe con campos externos de diferentes maneras. Además, la visualización directa puede dilucidar los fundamentos microscópicos.
«Indujimos el crecimiento limitado de una estructura de imidazolato zeolítico entre capas de nanopartículas de sílice», describió el Dr. Che. «El control cuidadoso de los procesos de autoensamblaje y grabado dio como resultado una estructura de carbono con nanoporos superiores e inferiores escalonados decorados con nanopartículas de cobalto».
Fundamentalmente, esta geometría obligó a las líneas del campo magnético reconstruidas a adoptar una morfología de «nudo chino» a lo largo de los bordes de los nanoporos. Las simulaciones teóricas sugieren que los intrincados patrones de nudos mejoran significativamente las interacciones de acoplamiento magnético entre nanopartículas. Esta morfología mejora el comportamiento ferromagnético general, que es crucial para las excepcionales propiedades de absorción de microondas del material.
El equipo utilizó microscopía electrónica de transmisión con corrección de aberraciones (ACTEM) y hardware de holografía magnética avanzada para obtener imágenes del comportamiento magnético dentro del nanoframe. ACTEM utiliza configuraciones de lentes especializadas y esquemas de detección para minimizar las distorsiones ópticas y mejorar la resolución hasta el rango nanométrico. La holografía magnética utiliza un biprisma de electrones para crear división e interferencia de ondas de electrones que atraviesan el vacío y la muestra. Los investigadores pueden reconstruir digitalmente líneas precisas de flujo magnético e intensidades de campo a partir de los patrones de interferencia holográfica registrados.
Utilizando esta técnica, el equipo de Fudan pudo detectar directamente la presencia y realineación de líneas de campo magnético a lo largo de los nanoporos a medida que las nanopartículas de cobalto emitían un intenso flujo que adoptaba formas de nudos chinos.
Para evaluar si la geometría magnética adaptada ofrecía propiedades útiles, el equipo evaluó la absorción de radiación de microondas, que muchos dispositivos electromagnéticos pretenden suprimir.
En particular, las capas nanoporosas con infusión de cobalto escalonadas mostraron mejoras significativas en la disipación de microondas en comparación con un compuesto de nanopartículas de cobalto no estructurado. Su ancho de banda de absorción de 12,5 a 17,3 GHz superó a los materiales anteriores con menos de dos milímetros de espesor.
Los investigadores sospechan que dos mecanismos sinérgicos subyacen a este fuerte rendimiento: el magnetismo intrínseco de las nanopartículas de cobalto se acopla con las líneas de flujo reconstruidas y fortalece las interacciones de espín de los electrones, mientras que las capas intermedias de grafito conductor contribuyen a la pérdida dieléctrica. La dinámica del vórtice visualizada también indica un comportamiento robusto de resonancia magnética que conduce a la disipación de energía.
Con un ajuste adicional de los parámetros geométricos y materiales, la configuración óptima mostró una absorción de resonancia que cubría casi toda la banda de microondas Ku de 12,4 a 17,7 GHz con un espesor ultrafino de 1,7 mm.
Según los investigadores, estos resultados abren un camino prometedor para el desarrollo de materiales ligeros y de banda ancha que absorban microondas para proteger instrumentos sensibles electromagnéticamente e incluso tecnologías portátiles. La estructura nanoporosa biocompatible podría ayudar a aliviar las crecientes preocupaciones del público sobre la excesiva radiación de microondas en el medio ambiente.
Además, los avances mejoran fundamentalmente la capacidad de organizar específicamente nanopartículas magnéticas y ajustar sus interacciones con campos externos. Dominar el magnetismo a nanoescala abre una amplia gama de otras aplicaciones posibles, como el almacenamiento de datos de densidad ultraalta, sensores magnéticos para dispositivos de diagnóstico portátiles, agentes de contraste para la detección de cáncer por resonancia magnética y catalizadores para mejorar la fabricación de productos químicos.
“De cara al futuro, estos avances proporcionan una hoja de ruta valiosa para el desarrollo de nanomateriales magnéticos avanzados no sólo para dispositivos de protección, sino también para tecnologías transformadoras como discos duros de estado sólido de alto rendimiento, biosensores en los puntos de atención, dispositivos de resonancia magnética portátiles, y sistemas catalíticos magnéticos eficientes.”, concluyó el Dr. Che.
Sin embargo, diseñar nuevas nanoarquitecturas magnéticas y predecir su dinámica de formación sigue siendo un gran desafío. Los investigadores enfatizan que la combinación de métodos precisos de autoensamblaje con imágenes holográficas avanzadas probablemente seguirá abriendo nuevos horizontes.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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