Nanoparticule magnétique

La co-précipitation est un moyen facile et pratique de synthétiser des oxydes de fer (Fe₃O₄ ou g-Fe₂O₃) à partir de solutions aqueuses Fe²⁺ / Fe³⁺, solutions de sels par addition d’une base sous atmosphère inerte, atmosphère à température ambiante ou à température élevée[14].

Inspiré par la synthèse des semi-conducteurs de haute qualité, nanocristaux et oxydes dans des milieux non aqueux par traitement thermique décomposition[15] - [16] - [17], méthodes similaires pour la synthèse de particules magnétiques avec un contrôle sur la taille et la forme ont été développées. Des nanocristaux magnétiques monodispersés avec une taille plus petite peuvent essentiellement être synthétisés par décomposition thermique de composés organométalliques dans des solvants organiques à haut point d'ébullition contenant des tensioactifs stabilisants[11] - [18] - [19].

Dans des conditions hydrothermales, il est possible de former une large gamme de matériaux nanométriques[14].

Les avantages et inconvénients des trois méthodes de synthèse susmentionnées sont résumés brièvement dans le tableau 1.

Le principe de l'IRM est basé sur la détection et la cartographie du signal RMN (résonance magnétique nucléaire) émis par les protons d’hydrogène des tissus biologiques soumis à un champ magnétique extérieur. La différence de densité en protons des tissus permet d'obtenir des images contrastées. Cependant, cette différence entre deux tissus est insuffisante dans certains cas. Ainsi, le recours à des agents de contraste est nécessaire dans environ 30 % des examens IRM[23]. Les nanoparticules d’oxyde de fer sont les premiers agents à être utilisés grâce à leur stabilité chimique, leur degré de toxicité faible et leur biodégradabilité[24], ces oxydes font partie des nanoparticules super-paramagnétiques dites agents de contraste positif, Certaines d'autres particules paramagnétiques (à base de gadolinium, et appelées agents de contraste négatifs)[23] peuvent être utilisées également dans le but d’augmenter le contraste de ses images.

Le principe de « l’imagerie à particules magnétiques » est basé sur la réponse non linéaire d’un matériau ferromagnétique ou super-paramagnétique à un champ magnétique appliqué, cette méthode a été proposée pour la première fois par Gleich et Weizenecker en 2005[25] et présente plusieurs avantages par rapport à l’IRM, car elle a une haute sensibilité permettant d'avoir de meilleures résolutions avec l’application de champs de moindre amplitude[23]. L’idée consiste donc à suivre la présence de « traceurs » magnétiques dans le corps, contrairement à l’IRM, dans lequel c’est l’effet de la particule qui est mesuré. La sensibilité est donc bien meilleure dans le cas de la MPI[23].

L'hyperthermie magnétique est parmi les méthodes de guérison la plus ancienne. Elle est mentionnée dès 5000 avant J.-C. dans le papyrus chirurgical d’Edward Smith[26] qui proposait d'appliquer une source chaude pour cautériser la tumeur d’un cancer du sein.

Les nanoparticules magnétiques présentent aujourd'hui un fort potentiel pour le traitement des tumeurs par hyperthermie ; leur efficacité dépend de leur taille et de la nature du matériau employé. Cette technique consiste à faire pénétrer ces nanoparticules dans les tumeurs pour les chauffer sélectivement sous l'action de champs électromagnétiques. Les premières investigations expérimentales de cette méthode ont été menées par Gilchrist et Medal en 1957[27], qui ont mené des expérimentations sur l’échauffement de divers échantillons de tissus à l’aide de nanoparticules d’oxyde de fer γ-Fe₂O₃ dont le diamètre était de 20-100 nm et soumises à un champ magnétique extérieur d'une fréquence d'environ 1 MHz.

Les nanoparticules magnétiques sont utilisées comme absorbants qui captent les polluants dans les milieux aqueux, dans le cas de l’absorption des matériaux inorganiques comme les métaux, la nanoparticule est utilisée seule et n'a pas besoin d’être fonctionnalisée, contrairement à l'absorption des matériaux organiques dont on doit fonctionnaliser la nanoparticule, cette méthode s'appelle la séparation magnétique.

En appliquant un champ magnétique de haute fréquence à des nanoparticules ferromagnétiques, ces dernières produisent de la chaleur qui peut être utilisée pour catalyser les réactions chimiques telle que la réaction de Sabatier, qui produit du méthane (CH₄) à partir du dihydrogène (H₂) et du dioxyde de carbone (CO₂)[28].

De nombreuses applications dans ce domaine sont en cours de développement et envisagent d'augmenter la densité de stockage des appareils jusqu'à 100 Gbit inch⁻²[29], néanmoins l'un des enjeux actuels pour ce type d'applications est ce qu'on appelle l'effet super-paramagnétique qui provoque la perte des données suite à l'instabilité thermique qui augmente de plus en plus lorsqu'on diminue la taille des particules[30], parmi les matériaux prometteurs dans ce domaine est le LI₀-FePt car il présente une grande anisotropie magnéto-cristalline (K_u = 7 × 10⁷ erg/cc)[31] qui conduit à une forte stabilité thermique-magnétique.

C'est une approche qui consiste à induire une oxydation légère et contrôlée du noyau du métal pur[32]. Une des méthodes récentes consiste à oxyder légèrement des nanoparticules de cobalt avec de l'air synthétique pour former une couche passive de CoO qui stabilise la nanoparticule magnétique[33]

Les polymères et les tensioactifs sont souvent utilisés pour la passivation des surfaces des nanoparticules magnétiques afin d'éviter le phénomène d'agglomération[32]. Les amorceurs de polymérisation sont fixés chimiquement sur la surface des nanoparticules, ces dernières sont ensuite utilisées comme macro-amorceurs dans la réaction de polymérisation ultérieure, l'un des inconvénients de ce type de revêtement est leur instabilité à hautes températures et dans les milieux acides dans le cas d'un revêtement fin (une ou deux couches de polymères)[34].

L'or est une matière incontestée du revêtement des métaux massifs, sa faible réactivité a fait qu'il soit idéal aussi pour le revêtement des nanoparticules magnétiques, ces dernières présentent des propriétés de surface similaires à celles de ce métal noble ce qui a fait que le revêtement directe soit très difficile[35] - [36].

Une nouvelle méthode de mise en œuvre de ce type de revêtement a été développée par Zhang et al. en combinant la chimie des solutions et les radiations lasers[37].