Synthèse et étude des propriétés antibactériennes et magnétiques de la nanoferrite ZnFeCrO4

Contexte académique

Les nanoferrites, en raison de leurs propriétés physiques et chimiques uniques, présentent un large potentiel d’application dans divers domaines industriels. En particulier, les ferrites de type spinelle, dont la structure est ajustable, suscitent un grand intérêt dans les domaines des matériaux magnétiques, des catalyseurs, des capteurs et de la biomédecine. La ferrite de zinc-chrome (ZnFeCrO4), en tant qu’oxyde composite combinant les propriétés du zinc, du fer et du chrome, possède une excellente conductivité électrique, une stabilité thermique et des propriétés magnétiques, ce qui en fait un candidat prometteur pour le stockage d’énergie, la catalyse et les dispositifs électroniques. Cependant, les études systématiques sur sa synthèse à l’échelle nanométrique, ses propriétés structurelles, magnétiques et antibactériennes restent limitées. Ainsi, cette recherche vise à synthétiser des nanomatériaux ZnFeCrO4 par une méthode simple d’auto-combustion et à étudier systématiquement leurs propriétés structurelles, magnétiques et antibactériennes à différentes températures de recuit, afin d’explorer leur potentiel d’application en biomédecine et en matériaux magnétiques.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par H. K. Abdelsalam, Yusuf H. Khalafalla et Asmaa A. H. El-Bassuony. Les auteurs sont affiliés respectivement au Higher Institute of Applied Arts, à l’Université égypto-chinoise, à l’Université internationale allemande et à l’Université du Caire en Égypte. L’article a été publié en 2025 dans la revue Bionanoscience, avec le DOI 10.1007/s12668-025-01888-5.

Démarche de recherche

1. Préparation des échantillons

La recherche a utilisé des sulfates comme matières premières pour synthétiser la nanoferrite ZnFeCrO4 par la méthode d’auto-combustion. Les étapes spécifiques sont les suivantes :
1. Préparation des matières premières : Le sulfate de zinc (ZnSO4·7H2O), le sulfate de fer (Fe2(SO4)3·xH2O) et le sulfate de chrome (Cr2(SO4)3·xH2O) ont été pesés selon la stœchiométrie et dissous séparément dans de l’eau déionisée.
2. Ajout d’un agent réducteur : De l’urée (CO(NH2)2) a été ajoutée au mélange en tant qu’agent réducteur, puis chauffée sur une plaque chauffante à 250°C jusqu’à l’apparition de cendres mousseuses.
3. Broyage et calcination : Les cendres obtenues ont été broyées en une poudre fine, puis calcinées à 600°C et 800°C pendant 2 heures pour préparer des échantillons à différentes températures de recuit.

2. Analyse de caractérisation

1. Diffraction des rayons X (XRD) : L’analyse XRD a été réalisée à l’aide d’un équipement de Diano Corporation pour confirmer la structure cristalline des échantillons. Les résultats montrent que l’échantillon recuit à 800°C présente une structure cubique de spinelle monophasée, tandis que l’échantillon recuit à 600°C contient des phases impures (comme l’hématite et la maghémite) en raison d’une combustion incomplète.
   
2. Microscopie à force atomique (AFM) : La morphologie et la distribution des tailles de particules ont été analysées à l’aide d’un appareil Wet-SPM-9600 en mode non contact. Les résultats indiquent que l’échantillon recuit à 800°C présente des particules plus grandes et une distribution plus uniforme, tandis que l’échantillon recuit à 600°C, en raison d’une cristallisation incomplète, présente des particules plus petites et une distribution moins uniforme.
   
3. Mesures magnétiques : Les courbes d’hystérésis magnétique (courbes M-H) ont été mesurées à l’aide d’un magnétomètre à échantillon vibrant Lake Shore 7410 (VSM). Les résultats montrent que l’échantillon recuit à 800°C possède une aimantation à saturation (Ms) plus élevée et une coercivité (Hc) plus faible, indiquant des propriétés magnétiques supérieures à celles de l’échantillon recuit à 600°C.

3. Tests d’activité antibactérienne

L’activité antibactérienne des nanoparticules ZnFeCrO4 a été testée contre diverses bactéries Gram-positives (comme Bacillus subtilis et Staphylococcus aureus), des bactéries Gram-négatives (comme Escherichia coli et Neisseria gonorrhoeae) et des champignons (comme Aspergillus flavus et Candida albicans). Les résultats montrent que l’échantillon recuit à 800°C présente une efficacité antibactérienne significativement plus élevée contre Neisseria gonorrhoeae que l’échantillon recuit à 600°C, mais aucun effet notable contre les champignons.

Résultats principaux

1. Analyse structurelle : Les analyses XRD et AFM montrent que l’échantillon recuit à 800°C possède une cristallinité plus élevée et une distribution de taille de particules plus uniforme, tandis que l’échantillon recuit à 600°C contient des phases impures et des particules plus petites en raison d’une combustion incomplète.
   
2. Propriétés magnétiques : Les mesures magnétiques révèlent que la valeur de Ms de l’échantillon recuit à 800°C est 2,7 fois plus élevée que celle de l’échantillon recuit à 600°C, tandis que la valeur de Hc est réduite de 1,14 fois, indiquant un potentiel d’application dans le ciblage magnétique et la séparation.
   
3. Activité antibactérienne : Les tests antibactériens montrent que l’échantillon recuit à 800°C présente une inhibition significative contre Neisseria gonorrhoeae, mais une efficacité limitée contre d’autres bactéries et champignons.

Conclusion

Cette recherche a permis de synthétiser avec succès la nanoferrite ZnFeCrO4 par la méthode d’auto-combustion et d’étudier systématiquement ses propriétés structurelles, magnétiques et antibactériennes à différentes températures de recuit. Les résultats montrent que l’échantillon recuit à 800°C possède une cristallinité plus élevée, des propriétés magnétiques plus fortes et une activité antibactérienne significative, en particulier contre Neisseria gonorrhoeae. Cette étude fournit une base expérimentale importante pour l’application des nanomatériaux ZnFeCrO4 dans les domaines de la biomédecine et des matériaux magnétiques.

Points forts de la recherche

1. Méthode de synthèse innovante : L’utilisation de la méthode simple d’auto-combustion pour synthétiser les nanomatériaux ZnFeCrO4 réduit les coûts et le temps de préparation.
   
2. Étude complète des propriétés : Une étude systématique des propriétés structurelles, magnétiques et antibactériennes des échantillons fournit des données complètes pour des applications futures.
   
3. Potentiel d’application : L’échantillon recuit à 800°C présente des avantages significatifs dans le ciblage magnétique et les applications antibactériennes, ouvrant des perspectives d’application étendues.

Autres informations pertinentes

L’étude souligne également que les propriétés magnétiques des nanomatériaux ZnFeCrO4 sont étroitement liées à la température de recuit, une température élevée favorisant la cristallinité et l’ordre magnétique des échantillons. De plus, la recherche explore le potentiel d’application de ZnFeCrO4 dans le stockage d’énergie et la catalyse, offrant des orientations pour des études ultérieures.