Exchange-coupling in thermal annealed bimagnetic core/shell nanoparticles

In this study we demonstrate that the effective coupling of the magnetic phases in core/shell nanoparticles can be promoted by an appropriate thermal annealing. In this way, the magnetization thermal stability of the hard ferrimagnetic CoFe2O4 oxide can be increased up to room temperature when coupled to a CoO antiferromagnetic core in an inverse core/shell structure. In addition, the results show that, being encapsulated in a ∼2 nm thick CoFe2O4 shell, the CoO core is successfully protected against oxidation which is crucial for the effectiveness of the magnetic coupling at the interface.Fil: Lavorato, Gabriel Carlos. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Lima, Enio Junior. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Troiani, Horacio Esteban. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Zysler, Roberto Daniel. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Winkler, Elin Lilian. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Bifunctional CoFe2O4/ZnO Core/Shell Nanoparticles for Magnetic Fluid Hyperthermia with Controlled Optical Response

Conjugation of optical and magnetic responses in a unique system at the nanoscale emerges as a powerful tool for several applications. Here, we fabricated bifunctional CoFe2O4-core/ZnO-shell nanoparticles with simultaneous photoluminescence in the visible range and ac magnetic losses suitable for hyperthermia. The structural characterization confirms that the system is formed by a ≈7 nm CoFe2O4 core encapsulated in a ≈1.5-nm-thick semiconducting ZnO shell. As expected from its high anisotropy, the magnetic losses in an ac magnetic field are dominated by the Brown relaxation mechanism. The ac magnetic response of the core/shell system can be accurately predicted by the linear response theory and differs from that one of bare CoFe2O4 nanoparticles as a consequence of changes in the viscous relaxation process due to the effect of the magnetostatic interactions. Concerning the optical properties, by comparing core/shell CoFe2O4/ZnO and single-phase ZnO nanoparticles, we found that the former exhibits a broader optical absorption and photoluminescence, both shifted to the visible range, indicating that the optical properties are closely associated with the shell-morphology of ZnO. Being focused on bifunctional nanoparticles with an optical response in the visible range and a tunable hyperthermia output, our results can help to address current open questions on magnetic fluid hyperthermia.Fil: Lavorato, Gabriel Carlos. Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas; Brasil. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Lima, Enio Junior. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; ArgentinaFil: Vasquez Mansilla, Marcelo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Troiani, Horacio Esteban. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; ArgentinaFil: Zysler, Roberto Daniel. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; ArgentinaFil: Winkler, Elin Lilian. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentin

Magnetic Nanoparticles

El proyecto se orienta en el estudio y desarrollo de materiales nanoestructurados magnéticos en la forma de nanopartículas con posible aplicación tecnológica y en medicina: fabricación, caracterización, medición de propiedades físicas, interpretación y modelado de los sistemas. Este estudio contribuirá a la comprensión de los mecanismos microscópicos de interacción magnética que determinan el orden magnético interno y los procesos de relajación en estos materiales en función de las anisotropías presentes, los efectos de superficie, la geometría del problema y las interacciones tanto entre las partículas como en la interfaz que pueda presentarse en estos sistemas. Por otra parte, la fabricación de las muestras implicará el desarrollo o mejoramiento de técnicas de síntesis de nanopartículas que redundará en el desarrollo de nuevos materiales. Este proyecto se enfoca en el estudio de sistemas de pequeñas partículas (< 30 nm) cuyas composiciones presentan diferentes órdenes magnéticos (ferro, antiferro y ferrimagnéticos) donde se observarán los efectos propios de la anisotropía superficial y el rol de los momentos magnéticos superficiales. Las partículas tendrán distintos recubrimientos para estudiar los efectos producidos por la interacción de las distintas fases magnéticas. Paralelamente, se trabajará en una línea de aplicaciones de nanopartículas magnéticas en medicina. Se estudiará el efecto de hipertermia producido por la transferencia de energía de un campo magnético AC sobre nanopartículas magnéticas y su posterior conversión en calor. El proyecto se concentrará sobre los mecanismos físicos del referido proceso. Por otra parte, se estudiará la actividad catalítica tipo peroxidasa que presentan las nanopartículas de ferritas que tienen una consecuencia en la producción de radicales libres en las células que las incorpora.La actividad a desarrollar incluye la formación de recursos humanos en la investigación científica orientada hacia la Ciencia de Materiales mediante la realización de trabajos de tesis de grado y posgrado.The project focuses on the study and development of magnetic nanostructured materials in the form of nanoparticles with possible technological application and applications in medicine: synthesis, characterization, measurement of physical properties, interpretation and modeling of these systems. This study will contribute to the understanding of the microscopic mechanisms of magnetic interaction that determine the internal magnetic order and the relaxation processes in these materials based on the present anisotropies, the surface effects, the geometry of the problem and the interactions between the particles as in the interface that can be presented in these systems. On the other hand, the fabrication of the samples will involve the development or improvement of nanoparticle synthesis techniques that will result in the development of new materials. This project focuses on the study of systems of small particles (<30 nm) whose compositions have different magnetic orders (ferro, antiferro and ferrimagnetic) where the effects of surface anisotropy and the role of surface magnetic moments will be observed. The particles will have different coatings to study the effects produced by the interaction of the different magnetic phases.At the same time, a research line of magnetic nanoparticles applications in medicine will be worked on. The effect of hyperthermia produced by the transfer of energy from an AC magnetic field onto magnetic nanoparticles and their subsequent conversion into heat will be studied. The project will focus on the physical mechanisms of the aforementioned process. On the other hand, the peroxidase type catalytic activity presented by the ferrite nanoparticles that have a consequence in the production of free radicals in the cells that incorporate them will be studied.The activity to be developed includes the training of human resources in scientific research oriented towards Materials Science through the execution of graduate and postgraduate thesis projects

Tejada et al. Reply

A Reply to the Comment by Lin He

Evidence for Quantization of Mechanical Rotation of Magnetic Nanoparticles

We report evidence of the quantization of the rotational motion of solid particles containing thousands of atoms. A system of CoFe 2 O 4 nanoparticles confined inside polymeric cavities has been studied. The particles have been characterized by the x-ray diffraction, transmission electron microscopy, plasma mass spectroscopy, ferromagnetic resonance (FMR), and magnetization measurements. Magnetic and FMR data confirm the presence of particles that are free to rotate inside the cavities. Equidistant, temperature-independent jumps in the dependence of the microwave absorption on the magnetic field have been detected. This observation is in accordance with the expectation that orbital motion splits the low-field absorption line into multiple lines

Modeling the Magnetic-Hyperthermia Response of Linear Chains of Nanoparticles with Low Anisotropy: A Key to Improving Specific Power Absorption

The effect of magnetic interactions is a key issue for the performance of nanoparticles in magnetic fluid hyperthermia. There are reports informing on beneficial or detrimental effects in terms of the specific power absorption depending on the intrinsic magnetic properties and the spatial arrangement of the nanoparticles. To understand this effect, our model treats a simple system: an ensemble of identical nanoparticles arranged in an ideal chain with the easy axis of the effective uniaxial anisotropy of each particle aligned parallel to the chain. We study the magnetic relaxation of linear chains with low anisotropy in magnetic-fluid-hyperthermia experiments, a system that yields a larger hysteresis area than the noninteracting case (i.e., improved specific power absorption) for all orientations of the chain (even in the perpendicular configuration and the randomly oriented case). The most-favorable case is the chain parallel to the external field; however, we show that the incorporation of a dipolar-field component perpendicular to the external field is necessary for the correct modeling of chains nearly in the perpendicular configuration, which is not always done. The mechanism involved in the hysteresis-area increase can be interpreted as a shift between the local field and the applied field.Fil: Valdés, Daniela Paola. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche.; ArgentinaFil: Lima, Enio Junior. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche; ArgentinaFil: Zysler, Roberto Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche; ArgentinaFil: de Biasi, Emilio. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Bariloche.; Argentin

Role of anisotropy, frequency, and interactions in magnetic hyperthermia applications: noninteracting nanoparticles and linear chain arrangements

Efforts by numerous research groups have provided a deeper insight into the physical mechanisms behind the power absorption of single-domain magnetic nanoparticles in magnetic-fluid-hyperthermia applications and theoretical models now account for the main experimental observations. However, the role of all parameters relevant to the magnetic relaxation remains a matter of debate. Here, we employ a nonlinear model for the magnetic relaxation of single-domain magnetic nanoparticles with uniaxial effective anisotropy and evaluate the influence of particle-intrinsic parameters as well as experimental conditions on the power absorption of both noninteracting and interacting systems (linear arrangements). These effects are assessed through the enclosed hysteresis area of the magnetization loops as a function of relative anisotropy hK (the anisotropy field with respect to the amplitude of the ac field), i.e., the "area curve"of the system. These curves can be divided into four regions with distinct magnetic responses and boundaries that depend on the particle size, frequency of the applied field and interactions. Interactions change the effective anisotropy of the system and shift the area curve towards lower hK values. For the low relative anisotropy range, dipolar interactions increase the area of the hysteresis loops [thus, the specific power absorption (SPA)], while they are detrimental or produce nonsignificant effects for the range of high relative anisotropy. Our study resolves seemingly contradictory results of interaction effects in linear arrangements recently reported in the literature. Simulations of randomly oriented particles and chains were contrasted with the oriented cases. An analytical approach and the thermal interpretation of its validity range are discussed, both aimed at the design of nanoparticles and the choice of the experimental conditions for optimal heating. We find that systems with low-thermal-fluctuation influence are better candidates for the application due to their high SPA values. © 2021 American Physical Society

Diseño de nanopartículas magnéticas para aplicaciones en biomedicina y bioingeniería

ABSTRACT: In the present study the one-step coprecipitation method is used to obtain magnetic nanoparticles at controlled pH of 10 and 12, and surfactant concentration of 1% and 3%(m/m). The surfactant is sodium polyacrylate(PS), biocompatible and biodegradable, necessary attributes for biological applications. The magnetic nanoparticles have a magnetite core, and a shell of maghemite surrounded by a shell of polymer. The maghemite layer is smaller for large surfactant concentration(3%) and pH 10. The TEM images confirm the particle size distribution in the average range of 5-10 nm. Mössbauer results at 80 K showed line shapes dominated by magnetic relaxation effects with sextets and combinations of sextets and doublets for pH 12. The doublet features dominated the samples obtained at pH 10. The interactions of the surfactant with the nanoparticle surface, mainly with the Fe3+, is strong showing at least two surfactant layers, one layer directly over the nanoparticle surface and another layer resting over the inner layer. FTIR confirmed the attachment of the surfactant to the magnetic nanoparticle surface. The nanoparticles showed superparamagnetic behavior at room temperature and ferromagnetic properties at 5 K. The saturation magnetization presented lower values than reported bulk systems due to the presence of a large layer of maghemite. The very close particle size for all samples gave indication that the particle growth was dominated by the surface properties of the nanoparticles and that the pH and surfactant concentration did not affect importantly the growth process.RESUMEN: Se usó el método de coprecipitación en un solo paso controlando el pH a 10 y 12 y en concentraciones de poliacrilato(PS) de 1% y 3%(m/m). El surfactante es biocompatible y biodegradable, atributos necesarios para su uso en aplicaciones biológicas. Las nanopartículas magnéticas están formadas por una coraza interna de magnetita, una capa de maghemita y una capa externa del polímero. La capa de maghemita es pequeña para la concentración de 3% y pH 10. Las imágenes de TEM confirman la distribución de tamaños de partícula en el rango promedio de 5-10 nm. Los resultados Mössbauer a 80 K mostraron formas de línea dominadas por efectos de relajación magnética en forma de sextetos y combinanciones de sextetos y dobletes; estos dominaron a pH 10. Las interacciones del polímero con la superficie de las nanopartículas, principalmente con el Fe3+, es fuerte mostrando al menos dos capas del polímero sobre ellas. Las medidas magnéticas muestran un comportamiento superparamagnético a temperatura ambiente y ferrimagnético a 5 k. La magnetización de saturación presentó valores menores que las repotadas para volúmenes grandes debido a la caapa de maghemita presente. El tamaño de partícula obtenido para todas las muestras es muy cercano entre si indicando que el crecimiento de las partículas fue dominado por las propiedades de la superficie de estas y en menor grado por las condiciones de concentración y pH usadas

Síntesis de partículas magnéticas cubiertas con caseinato de sodio

The one-step coprecipitation method is used to obtain magnetic nanoparticles controlling the pH (10 and 12), and casein surfactant (CS) concentrations (1 % and 3 % (m/m)). CS has not been used so far for stabilizing magnetic iron oxide ferrofluids. The magnetic nanoparticles have a magnetite core with maghemite in surface, and a shell of polymer. The transmission electron images confirm the crystallinity, particle size distribution in the range of 5-10 nm, and the spinel structure of the nanoparticles. Mössbauer results at 80 K showed line shapes dominated by magnetic relaxation effects with sextets and combinations of sextets and doublets. The interactions of the surfactant with the nanoparticle surface are strong showing at least two surfactant layers. The magnetic behavior was evaluated by moment versus temperature and magnetic field measurements. The nanoparticles showed superparamagnetic behavior at room temperature and blocked (irreversible) behavior at 5 K. The saturation magnetization presented lower values than reported bulk systems due to the presence of a large layer of maghemite. The FC/ZFC magnetization vs. temperature curves confirmed the superparamagnetic nature of the iron oxide particles and the strong interactions for pH 12 samples and weak interactions for pH 10 samples. The particle growth was dominated by the surface properties of the nanoparticles.Se usa el método de coprecipitación para obtener nanopartículas magnéticas controlando el pH (10 y 12) y la concentración del caseinato de sodio (CS) (1 % y 3 %(m/m)). CS no se ha utilizado hasta el momento para estabilizar ferrofluidos magnéticos. Las partículas muestran un núcleo de magnetita, una capa de maghemita sobre el mismo, y otra capa exterior de la proteína. La microscopía electrónica de transmisión muestra partículas cristalinas, una distribución de tamaños entre 5-10 nm, y la estructura de espinela. Los resultados Mössbauer a 80 K muestran formas de línea dominadas por efectos de relajación magnética. La interacción de la proteína con la superficie de las nanopartículas es fuerte y muestra varias capas de proteína. El comportamiento magnético se evaluó mediante medidas termomagnéticas y de momento versus campo magnético. Estas revelaron un sistema superparamagnético a 300 K y bloqueado a 5 K. La magnetización de saturación mostró valores menores que en el volumen posiblemete debido a la presencia de la maghemita. Las medidas termomagnéticas confirmaron el superparamagnetismo y mostraron que las muestras obtenidas a pH 12 presentan interacciones fuertes mientras que las de pH 10 muestran interacciones débiles. El crecimiento de las partículas fue dominado por las propiedades superficiales de las partículas.Fil: Urquijo Morales, Jeaneth Patricia. Universidad de Antioquia; ColombiaFil: Casanova Yepes, Herley. Universidad de Antioquia; ColombiaFil: Morales Aramburo, Álvaro Luis. Universidad de Antioquia; ColombiaFil: Zysler, Roberto Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Universidad Nacional de Cuyo; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentin

In silico before in vivo: How to predict the heating efficiency of magnetic nanoparticles within the intracellular space

This work aims to demonstrate the need for in silico design via numerical simulation to produce optimal Fe 3 O 4 -based magnetic nanoparticles (MNPs) for magnetic hyperthermia by minimizing the impact of intracellular environments on heating efficiency. By including the relevant magnetic parameters, such as magnetic anisotropy and dipolar interactions, into a numerical model, the heating efficiency of as prepared colloids was preserved in the intracellular environment, providing the largest in vitro specific power absorption (SPA) values yet reported. Dipolar interactions due to intracellular agglomeration, which are included in the simulated SPA, were found to be the main cause of changes in the magnetic relaxation dynamics of MNPs under in vitro conditions. These results pave the way for the magnetism-based design of MNPs that can retain their heating efficiency in vivo, thereby improving the outcome of clinical hyperthermia experiments