Síntese, caracterização e magnetohipertermia de ferritas de manganês Mn1-xAxFe2O4 dopadas com cobre, magnésio ou cobalto

Autor: Araújo, Marcus Vinicíus
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2017
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFGUniversidade Federal de GoiásUFG.
Druh dokumentu: masterThesis
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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
Nanoparticles based on Mn-ferrite, Mn1−xAxFe2O4, doped with copper, magnesium and cobalt (A = Cu, Mg ou Co) were synthesized by hydrothermal method under pressure, with X varying from 0 to 0, 5. Magnetic fluids stable in physiological conditions were obtained surface-coating the nanoparticle with citric acid. X-ray diffraction confirmed the spinel structure. Energy dispersive spectroscopy (EDS) confirmed the success of the synthesis of the mixed ferrite, where the element composition agreed with the value expected within an error of 10%. Transmission electron microscopy showed sphericalshaped nanoparticles, while magnetization data at room temperature allowed the analysis of the coercivity field (Hc) and the saturation magnetization (Ms). Ms decreased with the increase of X for the Cu and Mg doped samples, while the opposite effect was observed for Co doped nanoparticles. Hc increased the higher the X value for all the samples. The effect on the Cu and Mg-doped ferrites are explained by the increase in particle size. However, the Co-doped samples, showed a diameter increasing the higher X, but Hc also increased. In this case the Hc behavior is explained by the increase concentration of Co and its effect on the magnetic anisotropy which increases for higher Co content. The magnetic hyperthermia efficiency of the magnetic fluids, for all samples, were investigated in a field amplitude ranging from 50 Oe to 170 Oe and frequencies from 110 kHz up to 990 kHz. The hyperthermia efficiency decreased with X increasing, considering the case of 130Oe and 333 kHz, which indicates that at this experimental condition undoped Mnferrite nanoparticles are better for hyperthermia. In most of the samples it was observed that the efficiency scaled with the square of the field amplitude, which is in accordance with Linear Response Theory (LRT). In addition, the hyperthermia frequency dependence study showed a saturation effect, for some samples, at a frequency higher than 600 kHz. The experimental data as function of frequency were susccessfully curve fitted with the LRT model using 2 free parameters related to the effective relaxation time ( ef ) and the equilibrium susceptibility ( 0). In particular, for theMn-ferrite sample for a field of 130Oe it is found ef = 5, 2 · 10−7s and 0 = 0, 028. The value of ef can be explained using an effective magnetic anisotropy value of 2·105 erg/cm3. The value is one order of magnitude higher than the bulk value, and allowed one to estimate the surface anisotropy contribution to in the order of 0, 04 erg/cm2. On the other hand, a linear chain formation model, for this sample consisted of a trimer (3 nanoparticles), can also explain the increase of the effective anisotropy. Moreover, we found a 0 value lower than the estimated Langevin susceptibility. In order to explain this, a new model, valid in the linear regime, was developed considering the contribution from blocked nanoparticles. Indeed, the analysis of hyperthermia data using this model indicates that the contribution to heat generation spans from 34.7% of the nanoparticles for a field of 110 Oe up to 52.5% at 170 Oe.
Nanopartículas à base de ferrita de Mn, Mn1−xAxFe2O4, dopadas com cobre, magnésio ou cobalto (A = Cu, Mg ou Co) foram sintetizadas pelo método hidrotermal sob pressão, com X variando de 0 até 0, 5. Posteriormente, fluidos magnéticos estáveis em pH fisiológico foram obtidos recobrindo a superfície das nanopartículas com ácidocítrico. A caracterização estrutural por raios-X confirmou a fase cristalina do tipo espinélio. A técnica de espectroscopia de energia dispersiva confirmou o sucesso da síntese de ferrita mista, quanto a sua composição, com um erro de até 10%. Microscopia eletrônica de transmissão revelou formação de nanopartículas esféricas, enquanto medidas de magnetização a temperatura ambiente permitiram uma análise do campo coercitivo (Hc) e da magnetização de saturação (Ms). Ms caiu com aumento de X para amostras dopadas com Cu e Mg, enquanto o oposto foi observado para Co. O Hc cresceu com o aumento de X para todas as amostras. Para as amostras dopadas com Cu e Mg tal efeito é explicado pelo aumento do diâmetro das nanopartículas. No caso das amostras dopadas com Co, o diâmetro caiu com X crescendo, mas Hc aumentou. Neste caso o comportamento do Hc é explicado pela maior contribuição a anisotropia magnética aumentando a proporção de Co na ferrita. A eficiência da hipertermia magnética (EHM) dos fluidos magnéticos, de todas as amostras, foi avaliada numa faixa de amplitude de campo de 50 Oe à 170 Oe para frequências variando entre 110 kHz à 990 kHz. A EHM caiu com X aumentando para H0 = 130 Oe e f = 333 kHz, o que indica, nesta condição experimental, que a ferrita de Mn é a amostra mais eficiente para hipertermia. A maior parte das amostras apresentou um EHM escalando com o quadrado da amplitude de campo magnético, em concordância com o esperado pela Teoria do Regime Linear (TRL). O estudo da EHM em função da frequência (f) revelou que algumas amostras apresentam saturação para f > 600 kHz. Os dados experimentais de hipertermia em função da frequência foram ajustados com sucesso, para todas as amostras, usando apenas 2 parâmetros livres relacionados ao tempo de relaxação efetivo ( ef ) e a susceptibilidade de equilíbrio ( 0). Em particular, para a amostra de ferrita de Mn e H0 = 130 Oe encontramos ef = 5, 2 · 10−7 s e 0 = 0, 028. O valor obtido para ef pode ser explicado para uma anisotropia magnética efetiva com 2 · 105 erg/cm3. Este valor é uma ordem de grandeza maior que o do bulk, e permite estimar uma anisotropia de superfície da ordem de 0, 037 erg/cm2. Por outro lado, a formação de cadeias lineares, contendo 3 partículas, também é capaz de explicar o aumento da anisotropia. O valor encontrado para 0 é menor que aquele estimado para a susceptibilidade de Langevin. Para explicar tal resultado, um novo modelo, válido no regime linear, foi desenvolvido considerando a contribuição de partículas bloqueadas. Neste caso, foi possível estimar, pela análise da EHM em função da frequência, que a fração de partículas contribuindo para a geração de calor sobe de 34, 7% em H0 = 110 Oe para 52, 5% em 170 Oe.
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