Les nano-aimants intéressent tout particulièrement les chercheurs en nano-médecine car ils sont facilement manipulables par simple application d'un champ magnétique. L'oxyde de fer, peu coûteux et facile à synthétiser, est un aimant particulièrement attrayant. Malheureusement, il perd son efficacité quand il est sous forme de nanoparticules: sa propriété d'aimant n'apparaît qu'à des températures très largement inférieures à la température ambiante. En greffant des complexes de cobalt à leur surface, plusieurs équipes
(1) sont parvenues à augmenter la température efficace de ces nanoparticules. Ces travaux sont parus dans la revue
Nature Communications.
Greffage de complexes du cobalt à la surface de nanoparticules d'oxyde de fer. © Laurent Lisnard
L'oxyde de fer Fe2O3 est un aimant bien connu qui intéresse tout particulièrement les chimistes car il est simple à synthétiser, stable et peu coûteux. Sous forme de petites particules, il présente un intérêt considérable pour le stockage de l'information, en imagerie médicale, en hyperthermie magnétique ou comme vecteur de principes actifs, car il est facile de le guider ou de le concentrer dans l'espace en appliquant un champ magnétique. Pour pouvoir pénétrer plus profondément dans les tissus vivants et passer les barrières biologiques les plus fines, les chercheurs ont synthétisé cet oxyde sous forme de nanoparticules pouvant descendre jusqu'à 5 nm. Malheureusement, cette réduction de taille conduit à une diminution sévère de la propriété d'aimant, rendant les nanoparticules inexploitables.
Cette propriété est principalement gouvernée par ce que l'on appelle l'anisotropie magnétique qui régit l'orientation de l'aimantation dans l'espace et donc la manière dont vont se comporter les particules sous champ magnétique. La diminution de cette anisotropie facilite la relaxation thermique de l'aimantation et empêche donc le maintien des propriétés d'aimant lorsque la température augmente. Le contrôle de ce paramètre c'est à dire une meilleure stabilité thermique est donc le défi que doivent relever les chimistes pour pouvoir redonner à ces petites nanoparticules d'oxyde de fer un caractère d'aimant plus marqué.
On peut envisager le dopage des nanoparticules d'oxyde de fer avec des ions cobalt dont la structure électronique est connue pour favoriser l'anisotropie magnétique. Mais ce dopage ne peut être réalisé qu'à haute température et demande donc un apport d'énergie conséquent. Profitant de la prédominance des effets de surface sur l'anisotropie et du rapport surface/volume intrinsèquement très important pour les objets de taille nanométrique, les chercheurs sont parvenus à greffer à la surface des nanoparticules d'oxyde de fer des complexes de cobalt dans des conditions douces de pression et de température. Ils sont parvenus à montrer que les ions cobalt, en interagissant avec les atomes de fer de surface à travers des liaisons covalentes, leur transmettaient leur anisotropie magnétique. Mieux encore, ils ont constaté que cette anisotropie se propageait pour impacter tous les atomes de fer des nanoparticules. Ces dernières conservent alors leur comportement d'aimant jusqu'à une température trois fois plus grande.
Ce travail ouvre des perspectives considérables dans le domaine de la conception de nano-aimants fonctionnels. La nature et la quantité de complexes greffés doit en effet permettre un contrôle fin des propriétés magnétiques et donc de les moduler en fonction des applications envisagées en imagerie médicale comme en nano-médecine ou dans le stockage de l'information.
Note:
(1) Laboratoire de physicochimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux (CNRS / UPMC)
Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (CNRS / UPMC / IRD / MNHN)
Synchrotron SOLEIL (CNRS / CEA)
Laboratoire de réactivité de surface (CNRS / UPMC)
Institut parisien de chimie moléculaire (CNRS / UPMC)
Institut des molécules et matériaux du Mans (CNRS / Université du Maine)
Référence
Yoann Prado, Niéli Daffé, Aude Michel, Thomas Georgelin, Nader Yaacoub, Jean-Marc Grenèche, Fadi Choueikani, Edwige Otero, Philippe Ohresser, Marie-Anne Arrio, Christophe Cartier-dit-Moulin, Philippe Sainctavit, Benoit Fleury, Vincent Dupuis, Laurent Lisnard & Jérôme Fresnais
Enhancing the magnetic anisotropy of maghemite nanoparticles via the surface coordination of molecular complexes
Nature Communications 4 décembre 2015
doi:10.1038/ncomms10139