Propiedades magnéticas de materiales de baja dimensionalidad sometidos a campos de radiofrecuencia

Resumen

Las nanopartículas magnéticas llevan décadas atrayendo la atención de la comunidad científica debido a las propiedades que exhiben en la nanoescala, que difieren de las del material masivo, y a su multitud de aplicaciones tanto industriales como biomédicas. Pueden ser manipuladas mediante campos externos, presentan un tamaño reducido que es comparable con el de entidades biológicas y pueden presentar superparamagnetismo. En particular, los óxidos de hierro como la magnetita Fe3O4 o la maghemita g-Fe2O3 son los sistemas de nanopartículas magnéticas más utilizadas en aplicaciones biomédicas. Por otro lado, los microhilos magnéticos amorfos recubiertos de vidrio son materiales extraordinariamente blandos, cuyas propiedades y estructura magnética se pueden modificar de forma sencilla, lo que los convierte en materiales muy atractivos con multitud de aplicaciones, como por ejemplo, en sensores de temperatura o de presión. Ambos materiales se encuentran englobados en lo que se denomina materiales de baja dimensionalidad, esto es, materiales que exhiben propiedades físico-químicas diferentes a las de su contraparte masiva. Tanto las nanopartículas magnéticas como los microhilos magnéticos amorfos son capaces de liberar energía en forma de calor al ser sometidos a campos de radiofrecuencia. En este trabajo se han estudiado las propiedades magnéticas y la eficiencia de calentamiento de nanopartículas de Fe3O4 y g-Fe2O3 de distintos tamaños y formas, así como de microhilos magnéticos amorfos recubiertos de vidrio con magnetostricción negativa casi nula. El comportamiento dinámico de las nanopartículas de óxido de hierro y su eficiencia de calentamiento se analiza a través de sus ciclos de histéresis obtenidos a frecuencias entre 50-600 kHz. Para ello se utiliza magnetometría AC, la cual ofrece valiosa información sobre los parámetros magnéticos del sistema, como son la imanación, la remanencia, la susceptibilidad, las interacciones entre partículas y la formación de cadenas. Se estudia el efecto del tamaño de partícula y del agregado en la eficiencia de calentamiento. Además, se analiza cómo varían los ciclos al modificar el campo aplicado y el tiempo de medida, definido como el tiempo que transcurre desde que se enciende el campo hasta que se mide un ciclo. También se analiza el efecto de la temperatura inicial de la muestra en su dinámica y la dependencia de los tiempos de relajación de las nanopartículas con la intensidad del campo aplicado. Por otro lado, se analiza la eficiencia de calentamiento de microhilos magnéticos amorfos de magnetostricción negativa casi nula, variando el número de microhilos y la longitud de los mismos. Se estudia la dependencia de dichas eficiencias de calentamiento con el comportamiento magnético, obtenido de los ciclos de inducción, y con su estructura de dominios. Se obtienen eficiencias de calentamiento muy elevadas, mayores que las reportadas para microhilos magnéticos con magnetostricción tanto positiva como negativa, y a campos y frecuencias muy bajos. Esto los convierte en buenos candidatos para aplicaciones en las que se necesiten altas eficiencias de calentamiento con bajo coste energético. Finalmente, se exploran dos aplicaciones del calentamiento inductivo mediado por nanopartículas magnéticas: la hipertermia magnética y la catálisis. La hipertermia magnética consiste en el incremento local de temperatura en el tumor, lo que da lugar a la muerte de las células cancerígenas sin dañar las sanas. El estudio se lleva a cabo en organoides (cultivos celulares que crecen en 3D) de cáncer de colon extraídos de pacientes, analizándose primero la internalización de las nanopartículas en las células y posteriormente la viabilidad de los tratamientos realizados. Por último, se lleva a cabo una prueba de concepto sobre la utilización de calentamiento inductivo en catálisis para la optimización de procesos de revalorización de residuos plásticos en combustibles líquidos.