Influenza dell'architettura gerarchica del multi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5673 (2023) Citare questo articolo

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Le proprietà magnetiche delle nanoparticelle di ossido di ferro superparamagnetiche sono controllate principalmente dalla loro dimensione delle particelle e dalla loro distribuzione dimensionale. Le proprietà magnetiche delle nanoparticelle multi-core di ossido di ferro, spesso chiamate nanofiori di ossido di ferro (IONF), sono inoltre influenzate dall'interazione dei momenti magnetici tra nuclei vicini. La conoscenza della struttura gerarchica degli IONF è quindi essenziale per comprendere le proprietà magnetiche degli IONF. In questo contributo, l'architettura degli IONF multi-core è stata studiata utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione multiscala correlativa (TEM), la diffrazione di raggi X e la diffusione dinamica della luce. Le misurazioni TEM multiscala comprendevano immagini a bassa e ad alta risoluzione, nonché analisi di fase geometrica. Gli IONF contenevano maghemite con la composizione chimica media \(\gamma\)-Fe\(_{2.72\pm 0.02}\)O\(_4\). Le vacanze metalliche situate sui siti del reticolo ottaedrico della struttura della ferrite dello spinello erano parzialmente ordinate. I singoli IONF erano costituiti da diversi nuclei che mostravano spesso una specifica relazione di orientamento cristallografico tra vicini diretti. Questo attacco orientato può facilitare l'allineamento magnetico all'interno dei nuclei. I singoli nuclei erano composti da nanocristalli parzialmente coerenti aventi quasi lo stesso orientamento cristallografico. Le dimensioni dei singoli costituenti rivelate dall'analisi della microstruttura erano correlate con le dimensioni delle particelle magnetiche ottenute adattando la curva di magnetizzazione misurata mediante la funzione di Langevin.

Negli ultimi decenni, le nanoparticelle di ossido di ferro magnetico (IONP) sono emerse come uno dei nanomateriali più promettenti per applicazioni biomediche, ad esempio come mediatore del calore per il trattamento del cancro con ipertermia1, come vettore per la somministrazione di farmaci2 o come agente di contrasto nella risonanza magnetica3. Le molteplici applicazioni degli IONP derivano da una combinazione di proprietà eccellenti tra cui comportamento superparamagnetico, magnetizzazione ad alta saturazione, buona biocompatibilità e la possibilità di funzionalizzare gli IONP legando varie molecole bioattive.

Gli IONP sono solitamente costituiti da magnetite (Fe\(_3\)O\(_4\)) e/o maghemite (\(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\)), che cristallizzano in uno spinello struttura simile con cationi ferro coordinati tetraedralmente e ottaedralmente. La magnetite (gruppo spaziale \(Fd{\bar{3}}m\)) ospita i cationi Fe\(^{2+}\) e Fe\(^{3+}\) rispettivamente nelle posizioni Wyckoff 8b e 16c4 . Questa distribuzione dei cationi garantisce la neutralità della carica. Tuttavia, a differenza della magnetite, alcuni siti di ferro ottaedrici nella maghemite devono rimanere vacanti per preservare la composizione chimica Fe\(_2\)O\(_3\) che corrisponde a Fe\(_{2.67}\)O\(_4\ ) nella struttura cristallina simile a uno spinello. Il sottoreticolo dell'ossigeno è ancora completamente occupato.

È stato dimostrato che le vacanze di Fe tendono ad ordinarsi, il che porta alla formazione di diverse strutture cristalline di \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\). La struttura cristallina di \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\) con posti vacanti distribuiti casualmente può ancora essere descritta come un semplice spinello cubico con il gruppo spaziale \(Fd{\bar{3}} m\)5. \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\) con posti vacanti parzialmente ordinati solo su uno dei due distinti siti ottaedrici è stato descritto nel gruppo spaziale \(P4_332\)6, \(\gamma\) -Fe\(_2\)O\(_3\) con posti vacanti parzialmente ordinati su uno dei tre distinti siti ottaedrici nel gruppo spaziale tetragonale \(P4_32_12\) ma con parametri reticolari quasi identici a e c7. \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\) con posti vacanti completamente ordinati è stata descritta come una sovrastruttura tetragonale nel gruppo spaziale \(P4_12_12\) con \(c\circa 3a\)8. L'ordinamento delle vacanze e la distorsione tetragonale della cella unitaria dello spinello cubico furono originariamente riportati per il 'microcristallino' \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\). Tuttavia, gli stessi fenomeni sono stati osservati anche negli IONP9,10,11.