“Le superparamagnétisme permet à nos nanomatériaux de créer des possibilités encore inenvisagées jusqu’à maintenant”, Dr. Jérémy Paris, CEO de SON.
Le superparamagnétisme, qu’est-ce que c’est ?
Louis Néel a découvert le superparamagnétisme en 1949 lors d’une étude menée sur des terres cuites et des laves («Théorie du traînage magnétique des ferromagnétiques en grains fins avec applications aux terres cuites», Louis Néel). Les travaux du prix Nobel de physique ont permis de comprendre le phénomène, et d’utiliser les SPIO* (*SuperParamagnetic Iron Oxide, ou en français, nanoparticules d’oxydes de fer) dans de nombreuses applications.
Le superparamagnétisme, magnétisme du monde nano.
Le magnétisme est un phénomène plus complexe qu’on pourrait l’imaginer. Il en existe différentes formes, et nous vous proposons de commencer par quelques définitions pour bien en saisir les nuances.
- Le magnétisme
Le magnétisme désigne un ensemble de phénomènes physiques au cours desquels des objets exercent des forces d’attraction ou de répulsion sur d’autres matériaux.
Il comprend notamment le ferromagnétisme, le ferrimagnétisme, le paramagnétisme et le superparamagnétisme qui sont quatre comportements différents.
- Un moment magnétique
Un moment magnétique est une grandeur vectorielle. Elle traduit la force magnétique et l’orientation de l’aimantation produite par un objet. En présence d’un champ magnétique, le moment magnétique va s’aligner et s’orienter en fonction de celui-ci.
- Un matériau ferromagnétique
Un matériau ferromagnétique est divisé en plusieurs domaines magnétiques (appelés domaines de Weiss), séparés par des parois (dites de Bloch). Dans chaque domaine magnétique, tous les moments magnétiques s’alignent entre eux et s’orientent dans la même direction. Ainsi, chaque domaine présente une orientation précise.
Cependant, en l’absence de champ, cette orientation diffère d’un domaine à l’autre car l’orientation des moments magnétiques entre chaque domaine est spécifique. Ainsi, si le matériau n’a jamais été exposé à un champ magnétique, les différents domaines sont orientés de manière aléatoire : si l’addition de tous les domaines du matériau est effectuée, l’aimantation totale qui en résulte est nulle. En présence de champ magnétique, tous les domaines s’orientent dans la même direction : cela produit une très forte aimantation.
Lorsque l’on retire le champ, les différents domaines se réarrangent de manière presque aléatoire ; c’est-à-dire que certains moments magnétiques restent orientés dans le même sens ou presque : il s’agit de l’aimantation rémanente. En effet, en additionnant tous les domaines, une aimantation perdure (elle est toutefois plus faible qu’en présence de champ).
- Le ferrimagnétisme
Le ferrimagnétisme est un cas dérivé du ferromagnétisme. Tous deux sont des comportements magnétiques présentant des domaines de Weiss. Ici, dans chaque domaine, les moments magnétiques sont alignés entre eux mais orientés dans des directions opposées, avec une intensité plus élevée dans une direction que dans l’autre.
Ainsi, en présence de champ magnétique externe, l’aimantation totale produite par un matériau ferrimagnétique est inférieure à l’aimantation d’un matériau ferromagnétique. En retirant le champ externe, les composés ferrimagnétiques présentent également une aimantation rémanente.
- Le paramagnétisme
Le paramagnétisme est l’aimantation d’un matériau lorsque celui-ci est soumis à un champ magnétique. En effet, en l’absence de champs, les moments magnétiques du matériau s’orientent de manière aléatoire. Ainsi, le matériau ne possède pas d’aimantation. Lorsqu’on applique un champ magnétique, les moments magnétiques s’alignent sur le champ : le matériau devient aimanté. De plus, un matériau paramagnétique produit une aimantation plutôt faible comparée à celle des matériaux ferromagnétiques.
- Le superparamagnétisme
Le superparamagnétisme désigne le comportement des matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques de taille nanométrique face à un champ magnétique.
Chaque nanoparticule possède un moment magnétique global plus grand comparé au paramagnétisme, ce qui permet une aimantation plus forte face à un champ externe.
Comme les matériaux paramagnétiques, leurs propriétés magnétiques ne s’activent que si – et seulement si – un champ magnétique se trouve à proximité. Le superparamagnétisme est donc similaire au paramagnétisme, mais avec une aimantation plus intense sous l’influence d’un champ magnétique externe.
Ce qu’il faut donc retenir, c’est que le paramagnétisme et le superparamagnétisme se différencient principalement par la taille de leur moment magnétique.
Comment fonctionne le magnétisme, le paramagnétisme et le superparamagnétisme ?
La distinction peut paraître complexe, pourtant, il n’en est rien. Laissez nous vous expliquer comment cela fonctionne.
En chauffant un matériau ferromagnétique ou ferrimagnétique au-dessus de sa température de Curie, celui-ci perd ses propriétés permanentes. Il devient paramagnétique.
La température de Curie est la température au-dessus de laquelle les moments magnétiques, qui étaient alignés, se désalignent à cause de l’agitation thermique. Cette température est spécifique à chaque matériau : par exemple, elle est de 358°C pour le nickel, 768°C pour le fer et 1 127°C pour le cobalt.
En revanche, passer du ferromagnétisme au superparamagnétisme ne requiert pas de chauffer le matériau. En effet, en réduisant le matériau à l’échelle nanométrique, les parois de Bloch (il s’agit d’une zone de transition entre les différents domaines magnétiques) vont s’effacer. Se maintenir à cette échelle leur demanderait trop d’énergie. Un seul domaine subsistera. On dit que les nanoparticules provenant de ce processus sont monodomaines. Les instants magnétiques issus des domaines des nanoparticules monodomaines vont s’annuler et ne s’aligneront dans le même sens que sous l’influence d’un champ magnétique externe.
Quelles applications concrètes de ces propriétés ?
Par exemple, les propriétés superparamagnétiques des oxydes de fer, des ferrites de cobalt ou des ferrites de nickel présentent un intérêt considérable, dans l’industrie ou dans la médecine.
Révolutionner la Catalyse : L’Impact du Superparamagnétisme
La catalyse a différentes applications. Que ce soit dans le secteur chimique, pétrochimique, pharmaceutique ou énergétique, c’est un processus fondamental qui permet d’accélérer les réactions chimiques et d’améliorer la sélectivité des produits.
SON a développé des nanocatalyseurs exploitant les propriétés superparamagnétiques des SPIO. En travaillant la surface des nanoparticules d’oxydes de fer, SON est parvenue à y greffer des métaux catalytiques, comme le platine ou le ruthénium.
Les nanocatalyseurs SON ont ainsi la particularité d’être magnétiques, et donc récupérables et réutilisables sans phase de purification ultérieure.
En effet, un champ magnétique externe, un aimant permet la récupération des catalyseurs SON. Ce procédé facilite donc la séparation des produits après la réaction catalytique. Finies les techniques de filtration et/ou de centrifugation complexes, coûteuses et longues !
Les propriétés superparamagnétiques des catalyseurs permettent de les récupérer, pour ensuite les réutiliser jusqu’à 10 cycles, sans perte d’efficacité.
Une solution innovante pour la dépollution des effluents
Les propriétés magnétiques de ces nanomatériaux ont fait naître une nouvelle manière de purifier les effluents industriels ou l’eau.
En effet, les nanoparticules superparamagnétiques, comme celles composées d’oxydes de fer peuvent être fonctionnalisées, pour se lier à des polluants spécifiques : il s’agit des nanoscavengers SON.
SON a conçu des nanomatériaux capables de capter les métaux lourds ou précieux. Ainsi, nos nanoscavengers attrapent les métaux et nous les récupérons simplement en appliquant un champ magnétique.
La nanomédecine : une avancée prometteuse en diagnostic et en thérapie
Dans le domaine médical, on utilise certaines nanoparticules superparamagnétiques, comme celles d’oxydes de fer, en imagerie par résonance magnétique (IRM). On les utilise comme nanovecteurs afin d’identifier, de cibler et d’attaquer des tumeurs à un stade précoce. Comme les glioblastomes ou les mélanomes, sur lesquels SON travaille actuellement.
Leurs propriétés magnétiques couplées à leur taille nanoscopique leur donne par ailleurs la faculté de franchir certaines barrières naturelles du corps humain, telle que la barrière hémato-encéphalique.
En complément de ce diagnostic, les nanomatériaux superparamagnétiques permettent également, par hyperthermie magnétique, de tuer les organismes infectieux une fois ciblés.
Les défis du superparamagnétisme
Pour porter les nanoparticules superparamagnétiques au maximum de leurs capacités, plusieurs conditions sont nécessaires.
Pour commencer, la taille des nanoparticules est un paramètre essentiel. C’est la raison pour laquelle SON s’est spécialisée dans le développement de nanomatériaux hautement caractérisés et parfaitement reproductibles.
C’est pourquoi, dès lors que l’on souhaite exploiter les propriétés superparamagnétiques d’un matériau, il est impératif de s’adresser à des experts. Ceux-ci doivent être en mesure de produire des nanoparticules de qualité, mais aussi d’apporter des certificats d’analyse précis et détaillés.
SON, producteur et concepteur de nanomatériaux, fait partie de ces experts. Nous sommes à votre disposition pour vous aider et vous orienter dans vos projets, n’hésitez pas à nous contacter.
Sources :
Louis Néel, « Théorie du traînage magnétique des ferromagnétiques en grains fins avec applications aux terres cuites ») : https://hal.science/jpa-00234217/document