Influence de l'architecture hiérarchique du multi

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5673 (2023) Citer cet article

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Les propriétés magnétiques des nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques sont principalement contrôlées par leur taille de particule et par leur distribution granulométrique. Les propriétés magnétiques des nanoparticules d'oxyde de fer multicœurs, souvent appelées nanofleurs d'oxyde de fer (IONF), sont en outre affectées par l'interaction des moments magnétiques entre noyaux voisins. La connaissance de la structure hiérarchique des IONF est donc essentielle pour comprendre les propriétés magnétiques des IONF. Dans cette contribution, l'architecture des IONF multicœurs a été étudiée à l'aide de la microscopie électronique à transmission (TEM) multi-échelle corrélative, de la diffraction des rayons X et de la diffusion dynamique de la lumière. Les mesures TEM multi-échelles comprenaient une imagerie basse et haute résolution ainsi qu'une analyse de phase géométrique. Les IONF contenaient de la maghémite de composition chimique moyenne \(\gamma\)-Fe\(_{2,72\pm 0,02}\)O\(_4\). Les lacunes métalliques situées sur les sites du réseau octaédrique de la structure de ferrite spinelle étaient partiellement ordonnées. Les IONF individuels étaient constitués de plusieurs noyaux présentant fréquemment une relation d'orientation cristallographique spécifique entre voisins directs. Cette fixation orientée peut faciliter l'alignement magnétique à l'intérieur des noyaux. Les noyaux individuels étaient composés de nanocristaux partiellement cohérents ayant presque la même orientation cristallographique. Les tailles des constituants individuels révélées par l'analyse de la microstructure ont été corrélées aux tailles de particules magnétiques obtenues en ajustant la courbe de magnétisation mesurée par la fonction de Langevin.

Au cours des dernières décennies, les nanoparticules d'oxyde de fer magnétique (IONP) sont devenues l'un des nanomatériaux les plus prometteurs pour les applications biomédicales, par exemple comme médiateur thermique pour le traitement du cancer par hyperthermie1, comme support pour l'administration de médicaments2 ou comme agent de contraste dans l'imagerie par résonance magnétique3. Les multiples applications des IONP résultent d'une combinaison d'excellentes propriétés, notamment un comportement superparamagnétique, une magnétisation à saturation élevée, une bonne biocompatibilité et la possibilité de fonctionnaliser les IONP en attachant diverses molécules bioactives.

Les IONP sont généralement constitués de magnétite (Fe\(_3\)O\(_4\)) et/ou de maghémite (\(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\)), qui cristallisent dans un spinelle. -structure semblable à celle des cations de fer coordonnés de manière tétraédrique et octaédrique. La magnétite (groupe spatial \(Fd{\bar{3}}m\)) accueille les cations Fe\(^{2+}\) et Fe\(^{3+}\) sur les positions Wyckoff 8b et 16c, respectivement4 . Cette répartition des cations garantit la neutralité des charges. Cependant, contrairement à la magnétite, certains sites octaédriques de fer dans la maghémite doivent rester vacants pour préserver la composition chimique Fe\(_2\)O\(_3\) qui correspond à Fe\(_{2.67}\)O\(_4\ ) dans la structure cristalline de type spinelle. Le sous-réseau d’oxygène est encore entièrement occupé.

Il a été démontré que les lacunes de Fe ont tendance à s'ordonner, ce qui conduit à la formation de différentes structures cristallines de \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\). La structure cristalline de \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\) avec des lacunes distribuées de manière aléatoire peut encore être décrite comme un simple spinelle cubique avec le groupe spatial \(Fd{\bar{3}} m\)5. \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\) avec des lacunes partiellement ordonnées uniquement sur l'un des deux sites octaédriques distincts a été décrit dans le groupe spatial \(P4_332\)6, \(\gamma\) -Fe\(_2\)O\(_3\) avec des lacunes partiellement ordonnées sur l'un des trois sites octaédriques distincts du groupe spatial tétragonal \(P4_32_12\) mais avec des paramètres de réseau presque identiques a et c7. \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\) avec des postes vacants entièrement ordonnés a été décrit comme une superstructure tétragonale dans le groupe spatial \(P4_12_12\) avec \(c\approx 3a\)8. L'ordre des lacunes et la distorsion tétragonale de la cellule unitaire du spinelle cubique ont été initialement signalés pour 'microcristallin' \(\gamma\)-Fe\(_2\)O\(_3\). Cependant, les mêmes phénomènes ont également été observés dans les IONP9,10,11.