Los filamentos magnetoelásticos son estructuras compuestas unidimensionales que exhiben propiedades tanto magnéticas como elásticas. El interés en estos materiales tiende a centrarse en la capacidad de controlar con precisión eventos mecánicos utilizando un campo magnético externo. Al igual que los materiales piezoeléctricos , pueden usarse como actuadores, pero no necesitan estar conectados físicamente a una fuente de energía. Las conformaciones adoptadas por los filamentos magnetoelásticos están dictadas por la competencia entre sus propiedades elásticas y magnéticas.
Las nanocadenas magnéticas son una nueva clase de nanoestructuras magnetorresponsivas y superparamagnéticas con formas altamente anisotrópicas que pueden manipularse mediante un campo magnético y un gradiente de campo magnético. [2] [3] Estas nanocadenas consisten en grupos de nanopartículas autoensambladas que se ensamblan magnéticamente y se fijan en una cadena. Entre los diversos métodos de unión utilizados se encuentran el recubrimiento de sílice, el recubrimiento de ácido poliacrílico (PAA), la condensación de tetraetoxisilano , la biotinilación o la descomposición de glucosa. Normalmente, los componentes principales de estas nanoestructuras son nanopartículas de óxido de hierro superparamagnéticas individuales (SPION). Los grupos de nanopartículas que se componen de varias nanopartículas magnéticas individuales (aproximadamente 100 SPION) se conocen como nanoperlas magnéticas con un diámetro de 50 a 200 nanómetros. [4]
La fuerza ejercida sobre una partícula depende de la fuerza, dirección y dinámica del campo magnético aplicado, así como de la posición y orientación de los dipolos magnéticos locales. Los campos magnéticos dinámicos permiten el mayor rango de control sobre la forma de la cadena. De principal interés es la fuerza ejercida sobre los extremos de la cadena como resultado de un campo dinámico. El efecto de la precesión de Larmor con una fila de coloides magnéticos da como resultado interacciones dinámicas que dependen del ángulo de precesión del campo. De hecho, al recorrer el ángulo mágico se invierte el signo de la interacción dipolo-dipolo. En un campo que precede rápidamente alrededor del eje z, la fuerza ejercida sobre el extremo de la cadena viene dada por [5]
donde es el momento dipolar, es el diámetro del cordón, es la frecuencia angular de la precesión del campo, es la tasa de cambio de la trayectoria del filamento, es el coeficiente de arrastre viscoso y es el vector unitario del plano perpendicular a la tangente del filamento curva. Esto produce una fuerza magnética periódica. Sin embargo, bajo precesión rápida, el segundo término permanece distinto de cero y escala con . En condiciones bajas , el par magnético domina y la cadena se enrolla sobre sí misma. Con un valor alto , el módulo de flexión domina el paisaje energético y los filamentos forman geles ramificados con un módulo de volumen dependiente del campo.
La carga aplicada sobre un filamento generalmente está limitada por el método de unión del polímero. El régimen de deformación elástica de un filamento simple unido covalentemente es corto y se considera inextensible en la mayoría de las condiciones. Si las fuerzas de tracción se vuelven demasiado grandes, puede ocurrir deformación plástica, lo que generalmente resulta en la ruptura de la unión y el desenredo del polímero. Estos cambios irreversibles pueden dar como resultado un cambio permanente en el módulo de flexión que, en última instancia, afecta el rendimiento del filamento. [6]
Utilizando técnicas de grabado, como el fresado con haces de iones enfocados , se pueden formar pilares de tamaño micro o nano en materiales magnéticos. Sin embargo, la flexión repetida de los pilares de cristal puede provocar la formación de defectos y daños por fatiga. Este daño proviene de la nucleación de grietas en la superficie de los pilares, incluso en régimen elástico, debido a la plasticidad localizada. La propagación de grietas durante ciclos sucesivos de compresión y tensión puede provocar la fractura del pilar. Esto es similar a lo que se puede observar en la magnetometría en voladizo cuando se opera bajo campos fuertes. Debido a esto, es deseable unir partículas magnéticas más pequeñas con materiales elásticos más resistentes, tales como un polímero, en lugar de utilizar un filamento de aleación continuo. [7]
La fabricación de nanocadenas magnéticas con una relación de aspecto controlada, un tamaño uniforme y una forma bien definida es el objetivo de muchos grupos de investigación y empresas de alta tecnología líderes en el mundo. [8] Las nanocadenas magnéticas poseen propiedades atractivas que suponen un valor añadido significativo para muchos usos potenciales, incluidas las nanomedicinas asociadas a la activación magnetomecánica en campos magnéticos alternos de frecuencia baja y superbaja. [9] Estas estructuras se utilizan en una variedad de aplicaciones, como imágenes y administración de fármacos. [10] Otras aplicaciones se muestran a continuación:
