Como resultado de un alto grado de colaboración interna, cada investigador del IMA participa en varias de nuestras líneas de investigación en materiales y campos. Los programas de investigación combinan investigación fundamental orientada de vanguardia en temas que se encuentran en las fronteras del conocimiento, con investigación aplicada transferible a muchas de nuestras empresas colaboradoras.

 

Nanopartículas magnéticas

Al reducir el tamaño de un material hasta la nanoescala, sus propiedades cambian notablemente respecto a las del material masivo, porque los efectos de superficie y de tamaño finito pasan a dominar su comportamiento. Esto ha despertado un enorme interés científico y tecnológico. Entre los distintos nanomateriales, las nanopartículas magnéticas ocupan un lugar destacado, como refleja el crecimiento sin precedentes del número de publicaciones dedicadas a ellas.

El IMA cuenta con una amplia trayectoria en el estudio de las propiedades estructurales y magnéticas de nanopartículas de muy diversa composición:

• ferritas de espinela (MFe₂O₄, con M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mg, Zn)
• perovskitas, como manganitas y ortoferritas (RₓA₁₋ₓMO₃, con R = La, Pr, Nd, Sm, Gd; A = Ca, Sr; M = Fe, Mn)
• carburos metálicos (Fe₃C, CoₓC)
• aleaciones metálicas (FePt, NiCo, PtAu)
• metales puros (Co, Pd, Ag, Pt, Au)

Además de nanopartículas individuales, el grupo diseña estructuras más complejas:

• sistemas núcleo-corteza, como nanopartículas de carburo de hierro encapsuladas en carbono (Fe₃C@C) o de cobalto protegidas por unas pocas capas de grafeno, que las estabilizan frente a la oxidación y la aglomeración
• heterodímeros y partículas multinúcleo
• nanoestructuras híbridas magneto-plasmónicas, que combinan nanobarras de oro y nanopartículas de óxido de hierro unidas covalentemente

El grupo domina numerosas rutas de síntesis: coprecipitación, métodos hidrotermales, sales fundidas, síntesis orgánica, sol-gel (incluidas variantes con control fino de surfactantes), autocombustión, ruta cerámica y molienda mecánica de alta energía. Esta última también se usa para introducir defectos de forma controlada mediante deformación plástica severa.

Para caracterizar los materiales emplea, entre otras técnicas:

• difracción de rayos X
• microscopía electrónica de transmisión (incluida la de alta resolución) y de barrido
• magnetometría dc y ac
• medidas calorimétricas de hipertermia bajo campos de radiofrecuencia, irradiación láser en el infrarrojo cercano o ambos a la vez
• espectroscopía de absorción de rayos X y otras técnicas de sincrotrón
• difracción y dispersión de neutrones
• espectroscopía UV-visible
• termogravimetría

El objetivo principal es correlacionar las propiedades estructurales, microestructurales y morfológicas de las nanopartículas con su comportamiento magnético. Para ello se analizan el tamaño de partícula, la distribución de cationes y el grado de inversión de las espinelas, los defectos (maclas, faltas de apilamiento) y los efectos de superficie. Un ejemplo es la aparición de exchange bias en nanopartículas de LaFeO₃: al disminuir el tamaño se forma un «núcleo-corteza magnético», con un núcleo antiferromagnético y una superficie con comportamiento de vidrio de espín.

Las aplicaciones de estos materiales se orientan principalmente a:

• la hipertermia magnética y la hipertermia dual magneto-plasmónica (campo magnético y láser combinados)
• la terapia fototérmica y el transporte de fármacos, con estudios de citotoxicidad y biocompatibilidad
• la catálisis y la descontaminación de aguas con catalizadores recuperables magnéticamente
• los sensores de gases
• la absorción de microondas y radar
• la grabación magnética y la espintrónica

 

Composites magnéticos con aplicaciones. Materiales para el apantallamiento electromagnético

Desde su creación en 1989 el IMA ha dedicado parte de sus investigaciones a la fabricación y estudio de las propiedades magnéticas de materiales amorfos (cintas, hilos y microhilos) obtenidos por técnicas de enfriamiento ultrarrápido. Estos materiales son magnéticamente blandos debido a la ausencia de anisotropía magnetocristalina y, para algunas composiciones, presentan anisotropía gnetoelástica. En cualquiera de sus geometrías ha sido posible su escalado y se conocen por sus múltiples aplicaciones. El IMA ha investigado las propiedades de microhilos magnéticos (MM) en altas frecuencias destacando sus estudios de resonancia magnetoelástica para el desarrollo de biosensores y de magnetoimpedancia en GHz a partir de los cuales se ha emostrado cómo es posible detectar un hilo a distancia y con ellos desarrollar una etiqueta de seguridad ó desarrollar un sensor para seguimiento post-operatorio en cirugía ardiovascular ó una etiqueta de seguridad detectable a mucha distancia. Así mismo los MM han demostrado ser las inclusiones perfectas para desarrollar pinturas absorbentes de las microondas dando lugar a una empresa “spin-off” para su comercialización (Micromag).

 

Materiales magnéticos amorfos y nanoestructurados

El control de la composición de aleaciones amorfas permite obtener microestructuras nanocristalinas mediante tratamientos térmicos. De este modo se logra promediar la anisotropía magnetocristalina obteniéndose materiales con elevadísimas permeabilidades magnéticas y campos coercitivos extremadamente bajos. Este tipo de muestras han demostrado ser el escenario perfecto para estudios de interacción de canje. Así mismo el material obtenidos por molienda mecánica de cintas nanocristalinas ha sido utilizado en los proyectos Europeos Nanopyme y Amphibian para fabricar composites con ferritas de Sr, ha resultado presentar un elevado valor del producto de energía (BHmáx).

Aplicaciones biomédicas

Los materiales magnéticos ofrecen ventajas únicas en biomedicina: pueden actuarse a distancia mediante campos externos, detectarse sin contacto y combinarse con otras funcionalidades, como la óptica o la liberación de fármacos, en una misma plataforma. El IMA aplica su experiencia en nanopartículas y microhilos magnéticos al diagnóstico, la terapia y el seguimiento de tratamientos, en colaboración con grupos de biología, química y medicina.

Las principales áreas de trabajo son:

• hipertermia magnética: estudio de la generación de calor de nanopartículas bajo campos de radiofrecuencia y su efecto en cultivos celulares
• terapia fototérmica y nanotermometría con nanopartículas de óxido de hierro y nanoestructuras híbridas magneto-plasmónicas
• imagen y seguimiento: agentes de contraste para resonancia magnética y andamios magnéticos para regeneración ósea
• diagnóstico precoz mediante sensores magnéticos de biomarcadores en el aliento y de propiedades de fluidos biológicos
• biocompatibilidad y actividad antibacteriana de nanomateriales

El grupo fue pionero en el tratamiento por hipertermia de células HeLa con nanopartículas de óxido de manganeso recubiertas de sílice. Desde entonces ha profundizado en la relación entre estructura, agregación e interacciones de las nanopartículas y su capacidad de calentamiento. Recientemente ha desarrollado nanoestructuras híbridas de nanobarras de oro y óxido de hierro, unidas covalentemente, que combinan calentamiento magnético y fototérmico (hipertermia dual). También ha contribuido a estandarizar las medidas fototérmicas de nanopartículas de óxido de hierro en las dos ventanas biológicas del infrarrojo cercano y a desarrollar plataformas que integran terapia fototérmica y nanotermometría luminiscente.

En el ámbito del diagnóstico, el grupo ha desarrollado sensores inalámbricos, magnónicos y magnetoelásticos, capaces de detectar en tiempo real biomarcadores del aliento como la acetona o el amoniaco. Además, utiliza microhilos magnéticos con alto acoplamiento magnetomecánico para medir la densidad y la viscosidad de fluidos. La evaluación de la citotoxicidad forma parte del diseño de nuevos materiales, como las nanopartículas de carburo de hierro encapsuladas en carbono (Fe₃C@C), con alta imanación y excelente biocompatibilidad.

La línea tiene también una clara vertiente de transferencia: en 2021 se firmó un acuerdo con la empresa Endomag sobre el marcador magnético Magseed, empleado en la localización de lesiones en cirugía de cáncer de mama.

Desarrollo de sensores magnéticos

Los sensores sensibles, miniaturizados y de bajo coste son una pieza clave para el diagnóstico médico precoz, la monitorización ambiental y la seguridad industrial. Entre las distintas tecnologías, los sensores basados en materiales magnéticos ofrecen una ventaja decisiva: permiten medir sin contacto y de forma inalámbrica. Así se preserva la integridad de la muestra, se evita la contaminación del sensor y se facilita su reutilización.

El IMA desarrolla distintas plataformas de sensado:

• sensores magnetoelásticos basados en microhilos magnéticos amorfos recubiertos de vidrio (FeSiB, FeSiBNb), integrados en osciladores de alto factor de calidad (Q > 17 000) para medir en tiempo real la densidad y la viscosidad de líquidos
• sensores magnónicos inalámbricos, en los que nanopartículas de magnetita encapsuladas modifican su imanación al interaccionar con biomarcadores del aliento (acetona, amoniaco, benceno, monóxido de carbono); este cambio se detecta mediante ondas de espín que se propagan en una película de granate de itrio y hierro (YIG)
• sensores de ondas acústicas superficiales tipo Love con capas magnetostrictivas de FeGa, que alcanzan sensibilidades al campo magnético del orden de 5 Hz/nT en las proximidades del campo coercitivo
• sensores quimiorresistivos de gases basados en materiales de carbono: grafeno, grafeno mesoporoso de pocas capas y carbones porosos dopados con nitrógeno, capaces de detectar NO₂ a temperatura ambiente con límites de detección de pocas ppb

En los sensores de gases, el grupo utiliza la fotoactivación con luz ultravioleta para acelerar la desorción de las moléculas, mejorar la sensibilidad y evitar el envenenamiento del sensor sin necesidad de calentarlo.

El grupo combina distintas rutas de fabricación: la técnica de Taylor-Ulitovsky para microhilos, la síntesis hidrotermal de nanopartículas, la pulverización catódica de capas delgadas magnetostrictivas, la fotolitografía, la deposición química en fase vapor (CVD), la molienda mecánica de alta energía y la deposición asistida por dielectroforesis sobre electrodos interdigitados. También diseña su propia instrumentación: osciladores de lazo realimentado, celdas de medida con sistemas fluídicos y bancos automatizados de generación de gases. Además, optimiza los dispositivos mediante simulaciones por elementos finitos.

Para caracterizar materiales y dispositivos emplea, entre otras técnicas:

• magnetometría dc y ac y magnetometría SQUID
• magnetometría por efecto Kerr magneto-óptico
• espectroscopía de resonancia magnetoelástica y análisis de redes de radiofrecuencia
• difracción de rayos X
• microscopía electrónica de barrido con análisis EDX y microscopía de fuerza atómica
• espectroscopía Raman, incluidas medidas in situ bajo iluminación ultravioleta
• XPS y adsorción de nitrógeno

El objetivo principal es correlacionar la microestructura de los materiales, su tipo y densidad de defectos y sus propiedades magnéticas con la respuesta del sensor, y así diseñar dispositivos a medida. Las aplicaciones se orientan principalmente a:

• el diagnóstico médico precoz, mediante el análisis de biomarcadores en el aliento y de las propiedades de fluidos biológicos
• la detección de campos magnéticos débiles
• la monitorización de contaminantes atmosféricos como el NO₂ y el CO
• la integración en plataformas portátiles, sistemas lab-on-a-chip y redes IoT