Simulación computacional de fluidos magnéticos diluidos con potencial de aplicación en hipertermia magnética

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se lleva a cabo una síntesis computacional de nanopartículas magnéticas monodominio de magnetita en polvo seco y en suspensión coloidal con un solvente no magnético, con el fin de estudiar la respuesta de la magnetización de la muestra a la presencia de campos magnéticos externos dependientes del tiempo. Con lo anterior se caracteriza el campo coercitivo y la magnetización remanente, de igual forma, se computa la pérdida de potencia específica que permite cuantificar la capacidad de hipertermia magnética del sistema. Con ésta última, se evalúa el potencial de la muestra magnética para ceder o disipar calor a su entorno. Se discute su posible implementación en aplicaciones biomédicas en tratamientos alternativos contra el cáncer. En nuestro modelo consideramos un sistema altamente diluido, situación que nos permite despreciar las interacciones magnéticas entre los momentos magnéticos asociados a las nanopartículas. Para efectos simples, implementamos un Hamiltoniano que incluye los términos de energía de Zeeman de acople del momento con un campo magnético externo y la energía de anisotropía magneto-cristalina uniaxial caracterizada por la presencia de un eje fácil que media la interacción de este eje con el momento. Usamos dos diferentes esquemas numéricos para simular este sistema físico. Por un lado, se implementa un método canónico estándar basado en cadenas de Markov Monte Carlo. Nuestra técnica se basa en el algoritmo de Metropolis–Hastings y se pone en práctica el concepto de tasa de aceptación, donde se permite aceptar nuevas actualizaciones de momentos magnéticos a una tasa constante mediante un mecanismo auto-adaptativo para la amplitud de rotación de Néel. La influencia de esta propuesta sobre las propiedades magnéticas de nuestro sistema se explora para una amplia gama de tasas de aceptación. Nuestros resultados permiten la reproducción de la ocurrencia de estados bloqueados y superparamagnéticos para valores de tasa de aceptación alta y baja, respectivamente, a partir de los cuales se infiere un vínculo con el tiempo de medición. Además, también se presenta y se discute la interacción entre la tasa de aceptación y la temperatura en las curvas de magnetización y la evolución temporal de los procesos de saturación. Por otro lado, en nuestro segundo esquema, la dinámica del sistema se conduce usando la ecuación diferencial estocástica de Landau–Lifshitz–Gilbert que dictamina la evolución temporal del momento magnético, en combinación con una ecuación de torque, derivable de principios variacionales, sobre el eje fácil que da cuenta de la rotación de la partícula influenciada por la presencia de medio viscoso. En este orden de ideas los mecanismos de rotación de Néel y de Brown son considerados. Se examina la influencia de la frecuencia de oscilación del campo magnético externo, de la temperatura del baño térmico, de la viscosidad del solvente, del tamaño de nanopartícula y de su distribución sobre las propiedades magnéticas mencionadas. Asimismo, se logra uevamente la reproducción de la ocurrencia de estados bloqueados y superparamagnéticos típicos en estos fluidos.