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

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

RESULTADOS Y DISCUSIÓNDE LA CARACTERIZACIÓN SEM, HR-TEM Y SQUID

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)

SEM/ muestra: (sustrato AAO)Poros sin material dentro.

Caracterización del 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.

HR-TEM/Determinación fases cristalinas.

GoetitaHematita

GoetitaHematita

HR-TEM/Determinación fases cristalinas.

Conclusiones prelimnares?

• 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.

MUCHAS GRACIAS!!!

Acá termina la Presentación“Fabricación de Nanohilos a base de óxidos de Hierro.”