MXPA99004542A - Dispositivo magnetizable - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un medio de registro magnético el cual incluye una capa magnetizable sobre el mismo, en donde dicha capa magnetizable comprende una pluralidad de partículas ferri- o ferromagnéticas, teniendo cada una una dimensión máxima no mayor que 100 nm y cada una de las cuales representa un domino ferromagnético separado.

Description

DISPOSITIVO MAGNETIZABLE MEMORIA DESCRIPTIVA Esta invención se refiere a un dispositivo magnetizable que comprende una capa magnética compuesta de partículas ferromagnéticas de dominio separado, de nanoescala (por ejemplo 1-100 nm). El dispositivo magnetizable de la invención se puede usar como dispositivo de almacenamiento magnético que tiene características mejoradas de almacenamiento de datos. En particular, la invención se refiere a medios de almacenamiento magnético que comprenden partículas ferromagnéticas de un solo dominio, de dominio separado, uniformes, de nanoescala (por ejemplo 1-100 nm) las cuales pueden estar dispuestas formando una distribución regular apiñada 2-D, útil en almacenamiento de información. Entre las posibles vías a los medios magnéticos de densidad ultraalta (>=1 Gbit/6.45 cm2) está el uso de partículas de nanoescala (1-100 nm). Más allá de los requisitos normales para los medios magnéticos, un medio viable en forma de partículas debería tener una pequeña desviación normal en el tamaño de partícula así como el desacoplamiento de intercambio de las partículas. Esos requisitos son necesarios para evitar el ruido adverso de los medios. Los métodos corrientes para fabricar partículas de nanoescala, tales como chisporroteo de descarga de arco o de haces iónicos con objetivos múltiples, no han satisfecho completamente estos dos requisitos. Además, si las partículas uniformes están dispuestas en una distribución ordenada, cada partícula puede representar un "bit" de información en una ubicación predecible, incrementando además la eficiencia de los medios. Esta invención detalla métodos para producir medios en forma de partículas que satisfacen esos requisitos para el registro de densidad ultraalta. Esta invención es también un sistema abierto que permite la producción de una variedad de materiales magnéticos, de tal manera que se pueden ajustar los medios para aplicaciones diferentes. En particular, esta invención detalla el uso de una proteína de almacenamiento de hierro, la ferritina, cuya cavidad interna se usa para producir las partículas de nanoescala. Se utiliza la ferritina en el metabolismo del hierro en todas las especies vivas y su estructura es altamente conservada entre ellas. Consta de 24 subunidades que están dispuesta para proveer una envoltura hueca de aproximadamente 8 nm de diámetro. La cavidad almacena normalmente 4500 átomos de hierro (lll) en forma de ferrihidrita magnética. Sin embargo, se puede eliminar esta ferrihidrita (una ferritina desprovista de ferrihidrita se denomina "apoferritina") y se pueden incorporar otros materiales. Algunos ejemplos incluyen cerámicas, magnetitas superparamagnéticas, acetaminofeno e incluso aspartame edulcorante. Para atender las cuestiones de los medios magnéticos, la invención incorpora materiales ordenados ferromagnéticamente. De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se provee un dispositivo magnetizable que comprende una capa magnética compuesta de partículas ferromagnéticas, de dominio separado, cada una de las cuales tiene una dimensión máxima no mayor que 100 nm. De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se provee un medio de registro magnético el cual incluye una capa magnetizable, en donde dicha capa magnetizable comprende una pluralidad de partículas ferromagnéticas, teniendo cada una una dimensión máxima no mayor que 100 nm y cada una de las cuales representa un dominio ferromagnético separado. La capa magnetizable está soportada preferiblemente sobre un substrato no magnético. De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invención, se provee una composición magnética que comprende una pluralidad de partículas ferromagnéticas y cada una de las cuales tiene una dimensión máxima no mayor que 100 nm. En este aspecto de la invención, se prefiere que dicha macromolécula orgánica sea ferritina de la cual se ha eliminado la ferrihidrita de núcleo normal y ha sido reemplazada por una partícula ferromagnética. Como se usa en la presente, el término "ferromagnético" engloba materiales que sean "ferromagnéticos" o "ferrimagnéticos". Tal uso es común en la técnica de la ingeniería eléctrica. Las partículas ferromagnéticas usadas en la invención deben ser de material o tamaño tal que posean propiedades ferromagnéticas a temperaturas ambientes (por ejemplo de 15°C a 30°C). Preferiblemente, cada una de las partículas ferromagnéticas tienen una dimensión máxima no mayor que 50 nm, más preferiblemente menor que 25 nm y más preferiblemente aún menor que 15 nm. La dimensión máxima de las partículas ferromagnéticas no debe ser tan pequeña que la partícula pierda su propiedad ferromagnética y se haga superparmagnética a la temperatura de operación deseada del medio de registro. Típicamente, para la operación a temperatura ambiente, esto significa que las partículas magnéticas no serán normalmente más pequeñas que aproximadamente 3 nm en su diámetro máximo. En el dispositivo magnetizable del primer aspecto de esta invención y el medio de registro magnético del segundo aspecto de esta invención, la distancia entre los dominios ferromagnéticos adyacentes es preferiblemente tan pequeña como sea posible para permitir el volumen máximo de dominios separados en un área dada y proveer la capacidad máxima de almacenamiento para el medio de registro. El límite inferior real variará para los diferentes materiales y otras condiciones tales como la temperatura a la cual se ha de usar el medio de registro. El requisito fundamental, sin embargo, es que los dominios cercanos no deben poder interferir magnéticamente uno con otro al grado de que la alineación magnética de cualquier dominio puede ser alterada por los dominios cercanos. Típicamente, el límite inferior sobre el espaciamiento de los dominios es de aproximadamente 2 nm. La distancia entre los dominios adyacentes será determinada por la densidad de los dominios separados requeridos. Típicamente sin embargo, para sacar provecho de las posibilidades de miniaturización provistas por la invención, la distancia entre los dominios adyacentes no será mayor que 10 nm.

Generalmente, las partículas serán uniformes en cuanto a tamaño, con lo cual se quiere decir que las partículas no varían en su diámetro máximo en más de aproximadamente el 5%. Una de las ventajas del uso en la invención de una macromolécula orgánica que se une a una partícula magnética rodeándola es que ésta se puede usar para seleccionar partículas de tamaño uniforme. En caso de que las partículas sean esferoidales, será el diámetro de las partículas el que no debe ser mayor que 100 nm. En las modalidades preferidas de todos los aspectos de esta invención, cada partícula ferromagnética está encerrada, o parcialmente encerrada, dentro de una macromolécula orgánica. El término macromolécula significa una molécula, o conjunto de moléculas, y puede tener un peso molecular hasta de 1500 kD, típicamente de menos de 500 kD. La ferritina tiene un peso molecular de 400 kD. La macromolécula debe ser capaz de unirse encerrando u organizando de otra manera la partícula magnética y puede comprender por lo tanto una cavidad adecuada capaz de contener la partícula; una cavidad estará encerrada normalmente por completo dentro de la macromolécula.

Alternativamente, la macromolécula puede incluir una abertura adecuada que no esté rodeada completamente, pero que no obstante sea capaz de recibir y soportar la partícula magnética; por ejemplo, la abertura puede ser aquélla definida por una corona circular en la macromolécula. Por ejemplo, las macromoléculas adecuadas que se pueden usar en la invención son proteínas, por ejemplo la proteína apoferritina (la cual es ferritina en la cual la cavidad está vacía), anillos L-P flagelares, ciclodextrinas, pépticos cíclicos agregados por sí mismos. Como alternativa a encerrar las partículas magnéticas dentro de una macromolécula, las mismas pueden estar organizadas sobre la macromolécula, tal como sobre la capa S bacteriana. Otros materiales que se pueden usar en la invención para organizar las partículas ferromagnéticas son las redes de sílice inorgánica, tales como materiales del tipo de MCM, dendrímeros y sistemas del tipo micelar. La macromolécula actualmente preferida para su uso en la invención es la proteína apoferritina la cual tiene una cavidad del orden de 8 nm de diámetro. Las partículas ferri- o ferromagnéticas que se han de acomodar dentro de esta proteína debe tener un diámetro no mayor que 8 nm. Las partículas unidas de este aspecto de la presente invención con un revestimiento que inhibe la agregación y la oxidación, el cual las ayuda también a ser de dominio separados. En el dispositivo magnetizable del primer aspecto de esta invención y el medio de registro magnético del segundo aspecto de esta invención, las partículas están dispuestas preferiblemente en una distribución ordenada 2-D la cual produciría un medio magnético de densidad ultraalta. El material ferromagnético puede ser un metal, tal como cobalto, hierro o níquel; una aleación metálica, tal como una aleación que contiene aluminio, bario, bismuto, cerio, cromo, cobalto, cobre, hierro, manganeso, molibdeno, neodimio, níquel, niobio, platino, praseodimio, samario, estroncio, titanio, vanadio, iterbio, ¡trio o una mezcla de los mismos; una ferrita de metal, tal como una ferrita que contenga bario, cobalto o estroncio; o un material ferromagnético orgánico. Cuando se generan partículas de nanoescala, una cuestión importante es que las partículas producidas no sean superparamagnéticas. Las partículas superparamagnéticas son aquéllas que tienen momentos dipolares magnéticos permanentes, pero las orientaciones de los momentos con respecto a los ejes cristalográficos fluctúan con el tiempo. Esta no es útil para un medio práctico de almacenamiento magnético. El superparamagnetismo depende del volumen, la temperatura y la anisotropía de las partículas. A través de consideraciones de energía, se puede obtener una ecuación relacionada con esas cantidades. El volumen al cual una partícula se hace superparamagnética (Vp) está dado por: Vp=25kT/K, en donde k es la constante de Boltzman, T es la temperatura de la partícula en grados Kelvin, y K es la constante de anisotropía del material. Usando esta fórmula, es posible determinar la temperatura a la cual una partícula se hace superparamagnética (la "temperatura de bloqueo") para un material dado a un volumen fijo. En nuestro caso específico, el volumen fijo es de 8 nm en la ferritina. Si la partícula de metal cobalto con anisotropía solamente cristalina (siendo ese valor de 45 x 105) es una esfera con un diámetro de 8 nm, la temperatura de bloqueo es de 353 °K. Eso está dentro del intervalo de temperaturas experimentadas dentro de una unidad de disco duro y las partículas de cobalto pueden resultar ser un medio de almacenamiento útil. Obviamente, hay otras consideraciones como coercitividad, momento, magnetización por saturación y tiempo de relajación. Ajustando los materiales incorporados a la ferritina, sin embargo, éstos pueden ser dirigidos. Se utiliza la ferritina en el metabolismo del hierro en todas las especies vivas y su estructura se conserva en mucho entre ellas. Consta de 24 subunidades dispuestas en un simetría de 432 la cual provee una envoltura hueca de aproximadamente 8 nm de diámetro. La unidad almacena normalmente 4500 átomos de hierro (lll) en forma de ferrihidrita paramagnética.

Sin embargo, se puede eliminar esta ferrihidrita (una ferritina desprovista de ferrihidrita se denomina "apoferritina") y se pueden incorporar otros materiales. Las subunidades en ferritina se apiñan compactamente, sin embargo hay canales a la cavidad en los ejes triples y cuádruples. Revistiendo los canales triples hay residuos que se unen a los metales tales como cadmio, cinc y calcio. Introduciendo tales iones divalentes se pueden unir las moléculas de ferritina potencialmente entre sí o reforzar por lo menos su disposición proximal. Un método para preparar la distribución apiñada 2-D de partículas ordenadas ferromagnéticamente de tamaño uniforme hasta de 8 nm incluye la eliminación del núcleo de ferrihidrita de la ferritina natural en solución acuosa, la incorporación de partículas de metal cobalto ordenadas ferromagnéticamente mediante la reducción de borohidruro de sodio de la solución acuosa de Co (II) a las cavidades de ferritina, la generación de una distribución limitada de tamaños por medio de ultracentrifugación, la inyección de partículas a una solución en subíase de MES/glucosa a la cual se agrega la distribución 2-D y la transferencia de la distribución 2-D a un substrato que se reviste luego de carbono. En este método, la fuente de ferritina puede ser un vertebrado, un invertebrado, una planta, un hongo, una levadura, una bacteria, o una producida mediante técnicas recombinantes. En el método descrito, se puede producir un núcleo de aleación metálica mediante reducción de borohidruro de sodio de una sal de metal soluble en agua. Otros métodos de oxidación incluyen solución de carbono, monóxido de carbono, hidrógeno o hidrato de hidrazina. Alternativamente, se puede oxidar una solución adecuada para producir un núcleo de ferrita de metal. La reducción puede ser química o electroquímica para producir la ferrita de metal. En este método, se pueden emplear otros métodos para seleccionar una distribución limitada de tamaños tales como los métodos de supresión menisco ene columna corta o larga o la separación de campos magnéticos. Además, en este método, se pueden añadir sales de metal divalentes que contengan cadmio, calcio o cinc a la solución en subfase para ayudar al ordenamiento de las partículas. Además, en éste, se pueden emplear otros métodos para disponer las partículas en una distribución 2-D, tal como la evaporación de la solución sobre un substrato sólido. Además, en este método, se puede revestir la distribución 2-D de películas a base de carbono tales como carbono similar a diamante, hidrogenado o impurificado con nitrógeno, o con películas a base de silicio tales como dióxido de silicio.

En la presente invención, se puede usar ferritina para encerrar una partícula ferromagnética cuya dimensión máxima está limitada por el diámetro interno de 8 nm de la ferritina. Se producen estas partículas eliminando primero el núcleo de ferrihidrita para producir apoferritina. Esto se hace por diálisis con respecto a una solución de acetato de sodio regulada en su pH con flujo de nitrógeno. Se usa quelación reductora usando ácido tioglicólico para eliminar el núcleo de ferrihidrita. Esto va seguido por diálisis repetida con respecto a una solución de cloruro de sodio para eliminar completamente de la solución el núcleo de ferrihidrita reducida. Una vez que se produce la apoferritina, se incorporan partículas ferri- o ferromagnéticas de las siguientes maneras. La primera es reduciendo una solución de sal de metal en presencia de apoferritina. Se realiza esto en una atmósfera inerte para proteger las partículas de metal contra la oxidación la cual disminuiría su beneficio magnético. Se puede reducir también una combinación de sales de metal en solución para generar aleaciones o precursores de aleaciones. Puede ser necesaria la concreción o la recocción en un campo magnético para generar las aleaciones magnéticas útiles. Otro método es oxidar una combinación de una sal de hierro (II) y otra sal de metal. Este da una partícula de ferrita de metal la cual no es afectada negativamente a causa de la oxidación. Las sales de metal que son benéficas incluyen las sales de aluminio, bario, bismuto, cerio, cromo, cobalto, cobre, hierro, manganeso, molibdeno, neodimio, níquel, niobio, platino, praseodimio, samario, estroncio, titanio, vanadio, iterbio e ¡trio.

Es necesaria una distribución limitada de tamaños para evitar el ruido de medios. Se puede obtener tal distribución mediante una variedad de procedimientos incluyendo, pero no limitándose a los mismos, centrifugación de gradiente densidad o separación de campos magnéticos. Aunque el procedimiento de producción detallado usa ferretina natural de bazo de caballo, no se debe considerar está invención limitada a esa fuente. Se puede encontrar la ferretina en vertebrados, invertebrados, plantas, hongos, levaduras, bacterias, o se pueden producir incluso en técnicas recombinables. Creando apoferritinas mutantes que carezcan de sitio de enlace divalente, otros otros han hallado que las proteínas mutantes se agregan en los agregados oblicuos en la posición de los hexagonales regulares apiñados estrechamente. Aunque la ferretina parecer ser un sistema ideal para generar partículas de nanoescala, no es el único sistema disponible. Por ejemplo, los anillos L-P flagenares son proteínas tubulares con diámetro interno de 13 mn. Creando una distribución 2-D de estas proteínas, se podrán depositar películas de metal en los centros tubulares para crear varillas perpendiculares de material magnético. Se puede usar también la reducción de metal en presencia de una microemulsión para generar partículas de nanoescala que están revestidas de agente tensioactivo. Está invención está abierta a otros métodos de producción de partículas de nanoescala. Finalmente, se desea una distribución ordenada de partículas. Una manera de efectuar esto es inyectando una solución acuosa de partículas a una solución en subfase de MES/glucosa contenida en una artesa de Teflon. Las partículas difundidas en la interfaz en subfase de aire y una porción se desnaturalizan para formar una película de capa única. La disposición 2-D de partículas encerradas ocurre debajo de está capa única. Después de 10 minutos a temperatura ambiente se transfiere a la disposición de capa única a un substrato, colocando el substrato directamente sobre la capa única durante 5 minutos. Después de retirar el substrato se reviste la disposición agregada con una capa delgada de carbono para su protección. Otros métodos tales como la evaporación de la solución sobre un substrato sólido puede dar también disposiciones 2-D y no se debería considerar está invención como limitada en sus métodos de disposiciones.

EJEMPLO 1 Este ejemplo ilustra la preparación de apoferritina a partir de ferretina de bazo de caballo. Se preparo una apoferritina a partir de ferretina natural de bazo de caballo, sin cadmio (CalBiocehm, 100 mg/ml) por diálisis (límites de pesos moleculares de 10-14 kDaltons) respecto a una solución (0.2 M) de substrato de sodio regulada al pH a 5.5 con flujo de nitrógeno con quelación reductora usando ácido trioglicolico (0.3 M) para eliminar el núcleo de ferrihidrita. Esto va seguido por diálisis repetida respecto a una solución (0.15 M) de cloruro de sodio para eliminar completamente de la solución el núcleo de ferrihidrita reducida.

EJMEPLO 2 Este ejemplo ilustra la preparación de metal cobalto dentro de la apoferretina. Se añade apoproteína a una solución (0.1/0.4 M) de TES/cloruro de sodio regulada a un pH de 7.5 para dar aproximadamente 1 mg/ml de solución de trabajo de la proteína. Se añadió incrementalmente una solución (1 mg/ml) desaereada de cobalto (II) [por ejemplo, como la sal acetato] de tal manera que el número total de átomos añadido fue de aproximadamente 500 átomos/moléculas de apoproteína. Se hizo agitar esto a temperatura ambiente durante 1 día la atmósfera inerte. Esto va seguido por la reducción de la sal de cobalto (II) con borohidruro de sodio al cobalto (0). El producto final produjo una solución de partícula de cobalto, cada una rodeada por una envoltura de ferretina.

EJEMPLO 3 Este ejemplo ilustra la preparación de una aleación metálica tal como itrio-cobalto (YCO5) dentro de la apoferritina. La aleación metálica sigue el mismo procedimiento que el ejemplo 2, pero usando una relación del 1 :5 de itrio (lll) [por ejemplo, como la sal acetato] al cobalto (II) [por ejemplo, como la sal acetato]. El producto final produjo una solución de partículas de itrio-cobalto, cada una rodeada por una envoltura de ferritina.

EJEMPLO 4 Este ejemplo ilustra la preparación de una ferrita de metal tal como ferrita de cobalto (CoO Fe2?3) dentro de la apoferretina. Se añade la apoproteína a una solución (0.1/0.4 M) desaereada de MES/cloruro de sodio regulada a un pH de 6 para dar aproximadamente 1 mg/ml de solución de trabajo de la proteína. Se añade incrementalmente una solución desaereada de cobalto (II) [por ejemplo, como la sal acetato] y hierro (II) [por ejemplo, como la sal sulfato de amonio] en una relación de 1 :2 y de deja oxidar con aire. El producto final produjo una solución de partículas de ferrita de cobalto, cada una rodeada por una envoltura de ferretina.

EJEMPLO 5 Este ejemplo ¡lustra la disposición 2-D de partículas magnéticas encerradas en ferretina. Se inyecta una solución acuosa de partículas [de los ejemplos 2-4 y cuya uniformidad de tamaño se selecciona] a una solución (0.01 M/2%) en subfase de MES/glucosa contenida en una artesa de Teflon. Las partículas difundidas en la ¡nterfaz en subfase de aire y una porción se desnaturalizan para formar una película de capa única. La disposición 2-D de partículas encerradas ocurre debajo de esta capa única. Después de 10 minutos a temperatura ambiente, se transfieren la disposición y la capa única a un substrato, colocando el substrato directamente sobre la capa única durante 5 minutos. Después de retirar el substrato, se reviste la deposición unida con una capa delgada de carbono para su protección.

Claims (10)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Uso para el almacenamiento de datos de un medio de registro magnético que incluye una capa magnetizable, en donde dicha capa magnetizable comprende una pluralidad de partículas ferromagnéticas, teniendo cada una una dimensión máxima no mayor que 100 nm y cada una de las cuales representa un dominio ferromagnético separado yen donde, en el procedimiento para hacer el medio del registro magnético, las partículas ferromagnéticas están encerradas, o parcialmente encerradas, dentro de una macromolécula orgánica.

2.- Uso de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la distancia entre los dominios ferromagnéticos adyacentes es por lo menos de 2nm.

3.- Uso de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, en donde la distancia entre los dominios ferromagnéticos adyacentes es por lo menos de 10nm.

4.- Uso de conformidad con cualquier reivindicación precedente, en donde, en el procedimiento para hacer el medio de registro magnético, las partículas ferromagnéticas están encerradas, o parcialmente encerradas, dentro de la cavidad o abertura de una macromolécula de proteína.

5.- Uso de conformidad con la reivindicación 4, en donde, en el procedimiento para hacer el medio de registro magnético, las partículas ferromagnéticas están encerradas, o parcialmente encerradas, dentro de una proteína apoferretina.

6.- Una unidad de disco duro que comprende un medio de registro magnético que incluye una capa magnetizable, en donde dicha capa magnetizable comprende una pluralidad de partículas ferromagnéticas, teniendo cada una una dimensión máxima no mayor que 100 nm y cada una de las cuales representa un dominio ferromagnético separado y en donde, en el procedimiento para hacer el medio del registro magnético, las partículas ferromagnéticas están encerradas, o parcialmente encerradas, dentro de una macromolécula orgánica.

7.- Una unidad de disco duro de conformidad con la reivindicación 6, en donde en donde la distancia entre los dominios ferromagnéticos adyacentes es por lo menos de 2nm.

8.- Una unidad de disco duro de conformidad con la reivindicación 6 ó 7, en donde la distancia entre los dominios ferromagnéticos adyacentes es por lo menos de 10nm.

9.- Una unidad de disco duro de conformidad con la reivindicaciones 6, 7 u 8, en donde, en el procedimiento para hacer el medio de registro magnético, las partículas ferromagnéticas están encerradas, o parcialmente encerradas, dentro de la cavidad o abertura de una macromolécula de proteína.

10.- Una unidad de disco duro de conformidad con la reivindicación 9, en el procedimiento para hacer el medio de registro magnético, las partículas ferromagnéticas están encerradas dentro de una proteína de apoferretina.