Size controlled synthesis of metallic magnetic nanocrystals for potential data storage and biomedical applications

Abstract

Magnetic nanoparticles have attracted extensive interest in recent years due to their potential applications as a consequence of their tunable magnetic properties. Therefore, research efforts are focused on the development and understanding of synthesis routes in order to control their size, structure, composition, and chemical reactivity at the nanoscale. The suitable control of those factors makes these nanomaterials potential candidates for diverse applications, including data storage and nanomedicine. Due to its phase-dependent and size-dependent magnetic properties, metallic cobalt can be considered a promising material for the desired applications. On this basis, the present research addresses the synthesis and characterization of metallic magnetic nanoparticles, and the determination of the relationship between synthesis conditions, metal structure, composition, crystal size and functional properties at the nanoscale. Metalic cobalt was synthesized via a modified polyol route. In this process, the polyol acts as both solvent and reducing agent. The synthesis were carried out using different polyols, e. g. ethyleneglycol (EG), trimethyleneglycol (TMG), triethyleneglycol (TEG), and tetraehtyleneglycol (TREG). The experimental results evidenced that the formation of a specific Co phase was strongly influenced by the synthesis parameters, for instance, the nature of polyol, the presence of OH- ions, and the reaction time. Accordingly, metastable pseudo-cubic epsilon cobalt (ε-Co), the hexagonal close-packed (hcp-Co) phase, and the face-centered cubic (fcc-Co) phases were stabilized. Additionally, the control in the size of the synthesized particles was achieved by the suitable selection of surfactants or stabilizing agents through homogeneous nucleation, or by the proper selection and concentration of seeds of noble metals like Pt, Pd, and Ag, via heterogeneous nucleation. Consequently, highly monodisperse micrometric, submicrometric, and nanometric Co particles exhibiting different structures were produced including: 0.68 ± 0.05μm ε-Co, 2.10 ± 0.4μm hcp-Co in TMG; 5.13 ± 0.6 nm fcc-Co in EG; and 10nm hcp-Co nanocrystals in TREG. Also, 0.20-0.80 μm of fcc-NixCo100-x, particles were synthesized in EG. The strong effect of the crystal structure, size, shape, and composition on the magnetic properties of the synthesized structures was also confirmed. The suitable control of the synthesis conditions allowed the formation of particles with hard magnetic characteristics that exhibited coercivity values between 700 to 1261 Oe, which can be considered suitable for data storage applications. Particles with soft magnetic characteristics were also syntehszied and exhibited saturation magnetization values between 140 emu/g and 155 emu/g. These particles are good potential candidates for biomedical applications. Finally, the capability of controlling the phase stability and growth of pure or alloyed Ni-Co particles and the corresponding tuning of their magnetic properties were also investigated. Attained results open new possibilities for the application of the nanocrystalline Co-based particles in the nanotechnology arena.

Las nanopartículas magnéticas han atraído gran interés en los últimos años debido a sus aplicaciones potenciales basadas en la capacidad de controlar sus propiedades magnéticas. Por lo tanto, muchos esfuerzos de investigación se han centrado en el desarrollo y la comprensión de las rutas de síntesis con el fin de controlar el tamaño, estructura, composición y reactividad química de estos materiales a nanoescala. El adecuado control de tales factores hace a estos nanomateriales potenciales candidatos para diversas aplicaciones, incluyendo almacenamiento de datos y en nanomedicina. Debido a sus propiedades magnéticas dependientes de la fase cristalina y tamaño de cristal, el cobalto metálico puede ser considerado un material prometedor para estas aplicaciones. Sobre esta base, la presente investigación se enfocó en la síntesis y caracterización de nanopartículas magnéticas metálicas de Co y Co-Ni, y la determinación de la relación entre las condiciones de síntesis, la estructura de metal, la composición, el tamaño de cristal y las propiedades funcionales a la nanoescala. Cobalto metálico se sintetizó a través de la modificación del proceso poliol. En este proceso, el poliol actúa como disolvente y agente reductor. La síntesis se llevó a cabo utilizando diferentes polioles, e. g. etilenglicol (EG), trimethyleneglycol (TMG), trietilenglicol (TEG) y tetraehtyleneglycol (TREG). Los resultados experimentales evidenciaron que la formación de una fase específica de Co dependió de los parámetros de síntesis, la naturaleza del poliol, la presencia de iones OH- , y el tiempo de reacción. En consecuencia, fases de cobalto como la metaestable pseudo-cúbico épsilon (ε-Co), hexagonal compacta (hcp-Co), y cúbica centrada en las caras (fcc-Co) pudieron ser estabilizadas. Adicionalmente, el control en el tamaño de las partículas sintetizadas fue obtenido mediante el empleo adecuado de agentes tenso-activos o estabilizantes a través de nucleación homogénea, asi como mediante la adecuada selección de semillas de metales nobles como Pt, Pd, Ag, mediante nucleación heterogénea. De esta manera, pudieron producirse partículas de Co micrométricas, submicrométricas y nanométricas altamente monodispersas exhibiendo diferentes estructuras: 0,68 ± 0.05μm ε-Co, 2,10 ± 0.4μm hcp-Co en TMG; 5,13 ± 0,6 nm fcc-Co en EG; y 10nm hcpnanocristales Co en TREG. Además partículas de fcc-NixCo100-x, de 0,20-0,80 micrometros de diámetro fueron sintetizadas en EG. También se confirmó la influencia de la estructura cristalina, tamaño, forma, y la composición de las partículas de Co y Co-Ni, sobre las correspondientes propiedades magnéticas. El control adecuado de las condiciones de síntesis permitió la formación de partículas de Co metálico con características magnéticas duras y blandas. Las partículas magnéticas duras presentaron valores de coercitividad entre 700 a 1.261 Oe, adecuadas para aplicaciones de almacenamiento de información. Las partículas con características magnéticas blandas exhibieron valores de magnetización de saturación entre 140 emu/g y 155 emu/g. Estas partículas son potenciales candidatos para las aplicaciones biomédicas. Por último, también se investigó la capacidad para controlar la fase y crecimiento de partículas de Ni y Co, puras o formando aleaciones, y el control de las correspondientes propiedades magnéticas. Los resultados obtenidos abren nuevas posibilidades para la aplicación de las partículas nanocristalinas basadas en Co en nanotecnología.