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FABRICACIÓN DE NANOHILOS A BASE DE ÓXIDO DE HIERRO
Tesis de grado para optar el título de Ingeniería QuímicaLaboratorio de Sólidos Amorfos - INTECIN
Facultad de IngenieríaUNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
Sabina R. MICHELI
Director de la tesis: Ricardo MARTÍNEZ GARCÍACo-director de la tesis: Vitaliy BILOVOL
Estructura de la presentación
OBJETIVOSINTRODUCCIONSINTESIS DEL MATERIALRESULTADOS Y DISCUSION
Resultados de la caracterización estructuralResultados de la caracterización magnética
CONCLUSIONES
OBJETIVOS
Objetivo Principal
desarrollar un método para la obtención, a escala de laboratorio, de nanohilos magnéticos a base de óxidos de hierro.
Objetivos específicos
desarrollar un método químico-físico para su obtención realizar un estudio estructura: determinación de la morfología y
de las fases cristalinas realizar un estudio de las propiedades magnéticas
FABRICACIÓN DE NANOHILOS A BASE DE ÓXIDO DE HIERRO
Escala en la que se ubican los materiales objeto de estudio
Ejemplos de materiales a escala nano?
Materiales nanométricosGran superfice específica
Ejemplos de algunos materiales sintetizados a escala nano
Y cuáles son sus potenciales aplicaciones?
Aplicaciones de materiales en la nanoescala
o Nanoelectrónica (almacenamiento de información)o Nanobiotecnología (tratamiento de enfermedades)o Nanomateriales (ind. textil, aerospacial)o Medioambiente (sensores y contaminantes)
Qué es un nanohilo (NH)? Una estructura de diámetro nanométrico y de una longitud libre
Cuáles son sus posibles aplicaciones?Potenciales sensores y captores de contaminantes.
Y cómo se han obtenido nanohilos?
Obtención de nanohilos
Síntesis de nanohilos asistidas por sustratosoTécnicas por vía húmeda• Por presion presurizada• Por sistemas de vacio
oElectrodeposición oDeposición de vapor
Síntesis de nanohilos no asistidas por sustratos
Y cómo se sinterizaron los NHs en este trabajo?
Síntesis de los nanohilos obtenidos en esta tesis
• Sustrato utilizado: sustrato de alúmina porosa “AAO” (óxido de alúminio anodizado)
• Uso de material de laboratorio• Precusor químico: sal de hierro• Implementación de un Sistema de vacío
Esquema de síntesis?
Esquema de síntesis caracterizaciones de los nanohilos
• Tratamiento térmico
Cómo es el sustrato AAO?
Síntesis de los nanohilos obtenidos en esta tesis
Sustato AAO utilizado, obtenido en la Universidad Estadual de Campinas (UNICAMP) de Brasil
Cómo se sintetizaron los nanohilos?
Capa de Al2O3 .
Altura máx. 2 µm Al
Montaje experimental para la obtención de los nanohilos
ampoya de decantación
agitador magnético con calentador
bomba de vacío
kitasato
precursor químico
Evaluación del método de síntesis?
Estudios de caracterización: para qué se realizan las medidas?
Estudio estructural,SEM:
visualizar la morfología del sustrato AAO comprobar introducción precursor químico en los
nanoporosHR-TEM:
visualizar cómo están conformados los NHs determinar fases cristalinas
Estudio magnético,SQUID:
determinar características magnéticas en función del campo magnético aplicado (H)Qué propiedades físicas se
miden?... Magnetismo
Qué propiedad física se va a estudiar?... Magnetismo
Evaluar la anisotropía magnética
Qué propiedades físicas se miden?... Magnetismo
•Distintas propiedades magnéticas según la dirección en que se evalúan•Varios orígenes posibles•Anisotropía magnética de forma
Qué propiedad física se va a estudiar?... Magnetismo
Evaluar las características superparamagnéticas En los materiales nanométricos, existe una Temperatura
de bloqueo (TB) asociada a un diámetro D crítico de partícula para las condiciones de estudio
• A T>TB se comporta como un material paramagnético alcanzando gran magnetización (M). Régimen superparamagnético.• A T<TB el material tiene orden magnético. Régimen
bloqueado.Esquema de
caracterización
SEM/ muestra: (sustrato AAO)
• Tratamiento térmico
• SEM
• HR-TEM
• SEM
• NaOH 1 M 12hs
SQUID
muestra(nanohilos)
muestra(sustrato
AAO+nanohilos)
muestra(sustrato
AAO+nanohilos)muestra(sustrato
AAO)
Distribución de nanoporos uniformeDiámetro de poro: 52 nm
Cálculo promedio de
poros
SEM. (Sustrato AAO+nanohilos)
SEM/ muestra: (sustrato AAO)
SEM/ muestra: (sustrato AAO+nanohilos)
• Tratamiento térmico
• SEM
• HR-TEM
• SEM
• NaOH 1 M 12hs
SQUID
muestra(nanohilos)
muestra(sustrato
AAO+nanohilos)
muestra(sustrato
AAO+nanohilos)muestra(sustrato
AAO)
Objetivo: Observar el interior del sustrato AAO
Sustrato AAO lleno valida el sistema de vacío implementado
SEM/ muestra: (sustrato AAO+nanohilos)
SEM/muestra: (sustrato AAO+nanohilos)
Conclusiones estudios SEM?
Sustrato AAO llenoMorfologíaProfundidad de llenado de los nanoporos 1 µm
Cómo son los nanohilos fuera del sustrato?
Sistema de vacío implementado
Al verificar: habilita a realizar estudios SQUID y HR-TEM
SEM/muestra: (sustrato AAO+nanohilos)
HR-TEM/Análisis estructural de nanohilos.
• Tratamiento térmico
• SEM
• HR-TEM
• SEM
• NaOH• 1 M
12hs
SQUID
muestra(nanohilos)
muestra(sustrato
AAO+nanohilos)
muestra(sustrato
AAO+nanohilos)
muestra(sustrato
AAO)
HR-TEM/Análisis estructural de nanohilos.
Largo l ~ 200 - 500 nm; diámetro D ~ 25 - 30 nm l>D.Estructuras de morfología definida , “rígidas”Formadas por aglomerados
•La relación de aspecto l/D es del orden de 6•Diferencia de largo entre SEM y HR-TEMValidación del método de síntesis de nanohilos
De qué están formados los NHs?
HR-TEM/Análisis estructural de nanohilos.
HR-TEM/Determinación fases cristalinas.
*
*
Es el valor promedio de 30 medidas
•Nanohilos formados por nanopartículas. D ~ 2 y 7 nm (*).•Se observan los planos cristalinos, asociados a una distancia inplanar…
Cómo se determinan los valores de las distancias interplanares?
Puntos medida realizada
[Å] teórica
[Å]Intensidad
teóricaPlano
correspon-diente
1 y 2 4,075 4,1796 99,9% [1 1 0 ] Goetitaα-FeOOH
Transformada de Fourier
HR-TEM/Determinación fases cristalinas.
Puntos medida realizada
[Å] teórica
[Å]Intensidad
teóricaPlano
correspon-diente
1 y 6 2,367 2.5560 77.1% [1 1 0 ]3 y 4 1,918 1.7110 44,1% [1 1 6 ]2 y 5 2,698 2.7237 99,9% [1 0 4 ]
Hematita α-Fe2O3
HR-TEM/Determinación fases cristalinas.
• TT
• SEM• HR-
TEM
• SEM
• NaOH
Método de síntesis de nanohilos es válido
Se obtuvieron nanohilos de óxidos de hierro
Características estructurales:
Relación longitud:diámetro l/D>6. Naturaleza policristalinaNanohilos formados por un empaquetado de NPs. Fases cristalinas identificadas : α-FeOOH y α-Fe2O3.
Conclusiones preliminaresde la caracterización estructural
SQUID
muestra(sustrato
AAO+nanohilos)
Comportamiento de histéresis: valida método de introducción de materialCurvas en sentido paralelo vs. perpendicular: evidencia de anisotropía de forma
MvsH/muestra: (nanohilos)
(*) Sustracción señal del sustrato AAO
MvsT?
MvsT/muestra: (nanohilos)
Tres comportamientos magnéticos.Superparamagnetismo, antiferromagnetismo, y ferrimagnetismo.Asociados a las dos fases encontradas: goetita y hematita
* Datos relevados de la curva MvsT para
medidas Field Cooling (enfriado con campo
aplicado).
*
MvsT/muestra: (nanohilos)
Temperatura de bloqueo TB=6.5 KRégimen superparamagnético asociado a la goetita
MvsT/muestra: (nanohilos)
Temperatura de Morin TM=117 KRegimenes antiferromagnético y ferrimagnético (débil) asociados a la hematita
MvsH?
MvsH/muestra: (nanohilos)
Hc Dirección paralela
Dirección perpendicular
a 300 K 90 Oe 43 OeA 5 K 142 Oe 4606 Oe
Campo coercitivo Hc de las curvas en sentido perpendicular a 300 K y 5 K: evidencia comportamiento superparamagnético…
Conclusiones…
CONCLUSIONES
Se obtuvieron nanohilosSe realizo por método químico-físico, simple y
de bajo costo. L/D=6.
Se obtuvieron nanohilos
Qué propiedades tienen?
Los nanohilos conformados por nanopartículas de α-FeOOH y α-Fe2O3.
Los nanohilos tienen: anisotropía magnética. La misma está influenciada en gran medida por la geometría del nanohilo.
Los nanohilos presentan un comportamiento superparamagnético , propio de elemento nanométricos.
CONCLUSIONES
• Validación de los sustratos para obtener nanohilos nuevas líneas de investigación en pos a la fabricación de sustratos AAO en el laboratorio (doctorando Inga. Diana Pardo)
• Desarrollo de múltiples fases cristalinas de NHs en base a esta técnica de desarrollo (doctorando Ing. César Leandro Londoño)
• Base para continuar el proyecto hacia el desarrollo de sensores a partir de nanohilos.
Aportes a otras líneas de investigación…
Potenciales líneas de investigación a futuro
• Control de las dimensiones de los poros del sustrato AAO utilizado en función del NH.
• Profundización en el estudio de las características magnéticas de los nanohilos, en particular el carácter superparamagnético y el origen de la anisotropía.