Magnétisme de nanoparticules d'oxyde de fer: un grand défi !
Publié par Redbran le 07/03/2016 à 12:00
Source et illustration: CNRS-INP
Les nano-aimants intéressent tout particulièrement les chercheurs en nano-médecine car ils sont facilement manipulables par simple application d'un champ magnétique. L'oxyde de fer, peu coûteux et facile à synthétiser, est un aimant particulièrement attrayant. Malheureusement, il perd son efficacité quand il est sous forme de nanoparticules: sa propriété d'aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés...) n'apparaît qu'à des températures très largement inférieures à la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid...) ambiante. En greffant des complexes de cobalt à leur surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...), plusieurs équipes (1) sont parvenues à augmenter la température efficace de ces nanoparticules. Ces travaux sont parus dans la revue Nature Communications.


Greffage de complexes du cobalt à la surface de nanoparticules d'oxyde de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie...). © Laurent Lisnard
L'oxyde de fer Fe2O3 est un aimant bien connu qui intéresse tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) particulièrement les chimistes car il est simple à synthétiser, stable et peu coûteux. Sous forme de petites particules, il présente un intérêt considérable pour le stockage de l'information, en imagerie médicale (L'imagerie médicale regroupe les moyens d'acquisition et de restitution d'images à partir de différents phénomènes physiques (Résonance...), en hyperthermie (L'hyperthermie est l'élévation locale ou générale de la température du corps, au-dessus de la valeur normale normale...) magnétique ou comme vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut constituer un exemple de vecteur, à...) de principes actifs, car il est facile de le guider ou de le concentrer dans l'espace en appliquant un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une...). Pour pouvoir pénétrer plus profondément dans les tissus vivants et passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) les barrières biologiques les plus fines, les chercheurs ont synthétisé cet oxyde sous forme de nanoparticules pouvant descendre jusqu'à 5 nm. Malheureusement, cette réduction de taille conduit à une diminution sévère de la propriété d'aimant, rendant les nanoparticules inexploitables.

Cette propriété est principalement gouvernée par ce que l'on appelle l'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon la direction.) magnétique qui régit l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la...) de l'aimantation dans l'espace et donc la manière dont vont se comporter les particules sous champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique. La diminution de cette anisotropie facilite la relaxation thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en...) de l'aimantation et empêche donc le maintien des propriétés d'aimant lorsque la température augmente. Le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de ce paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) c'est à dire une meilleure stabilité thermique est donc le défi que doivent relever les chimistes pour pouvoir redonner à ces petites nanoparticules d'oxyde de fer un caractère d'aimant plus marqué.

On peut envisager le dopage des nanoparticules d'oxyde de fer avec des ions cobalt dont la structure électronique est connue pour favoriser l'anisotropie magnétique. Mais ce dopage ne peut être réalisé qu'à haute température et demande donc un apport d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) conséquent. Profitant de la prédominance des effets de surface sur l'anisotropie et du rapport surface/volume intrinsèquement très important pour les objets de taille nanométrique, les chercheurs sont parvenus à greffer à la surface des nanoparticules d'oxyde de fer des complexes de cobalt dans des conditions douces de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) et de température. Ils sont parvenus à montrer que les ions cobalt, en interagissant avec les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec...) de fer de surface à travers des liaisons covalentes, leur transmettaient leur anisotropie magnétique. Mieux encore, ils ont constaté que cette anisotropie se propageait pour impacter tous les atomes de fer des nanoparticules. Ces dernières conservent alors leur comportement d'aimant jusqu'à une température trois fois plus grande.

Ce travail ouvre des perspectives considérables dans le domaine de la conception de nano-aimants fonctionnels. La nature et la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière...) de complexes greffés doit en effet permettre un contrôle fin des propriétés magnétiques et donc de les moduler en fonction des applications envisagées en imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par impression mécanique ; elle...) médicale comme en nano-médecine ou dans le stockage de l'information.

Note:
(1) Laboratoire de physicochimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux (CNRS / UPMC)
Institut de minéralogie, de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et de cosmochimie (CNRS / UPMC / IRD / MNHN)
Synchrotron SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) (CNRS / CEA)
Laboratoire de réactivité de surface (CNRS / UPMC)
Institut parisien de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou...) moléculaire (CNRS / UPMC)
Institut des molécules et matériaux du Mans (CNRS / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) du Maine)

Référence
Yoann Prado, Niéli Daffé, Aude Michel, Thomas Georgelin, Nader Yaacoub, Jean-Marc Grenèche, Fadi Choueikani, Edwige Otero, Philippe Ohresser, Marie-Anne Arrio, Christophe Cartier-dit-Moulin, Philippe Sainctavit, Benoit Fleury, Vincent Dupuis, Laurent Lisnard & Jérôme Fresnais
Enhancing the magnetic anisotropy of maghemite nanoparticles via the surface coordination of molecular complexes
Nature Communications 4 décembre 2015
doi:10.1038/ncomms10139
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