Инновационный метод обнаружения магнитных полей наноразмерных частиц

]

Как будто они были пузырьками, растущими в недавно открытой бутылке шампанского, мелкие круглые области магнетизма могут быть быстро увеличены, чтобы предложить точный метод измерения магнитных свойств наночастиц.

Метод, раскрытый учеными из Национального института стандартов и технологий (NIST) и их сотрудников, предлагает более глубокое понимание магнитного поведения наночастиц. Поскольку этот метод является быстрым, экономичным и не требует специальных условий – измерения могут проводиться при комнатной температуре и при атмосферном давлении или даже в жидкостях – он предлагает производителям практический способ измерения и усиления контроля над свойствами магнитных наночастиц для множество экологических и медицинских приложений.

Магнитные наночастицы могут действовать как миниатюрные исполнительные механизмы, магнитно толкающие и притягивающие другие мелкие объекты. В зависимости от этого свойства, исследователи использовали наночастицы для очистки от разливов химических веществ, а также для создания и работы нанороботических систем. Магнитные наночастицы даже обладают перспективой лечения рака – быстрое изменение магнитного поля наночастиц, введенных в опухоль, производит достаточно тепла для разрушения раковых клеток.

Отдельные магнитные наночастицы создают магнитные поля, подобные северному и южному полюсам знакомых стержневых магнитов. Эти поля образуют магнитные пузырьки – плоские круги с предварительными диаметрами менее 100 нм (миллиардных долей метра) – на поверхности магниточувствительной пленки, созданной в NIST. Пузырьки окружают полюс наночастиц, который направлен против направления магнитного поля пленки. Хотя они зашифровывают информацию о магнитной ориентации наночастиц, миниатюрные пузырьки нелегко обнаружить с помощью оптического микроскопа.

Однако, как пузырьки в шампанском, магнитные пузырьки могут быть растянуты в сотни раз по сравнению с их первоначальным диаметром. Применяя небольшое внешнее магнитное поле, команда увеличила диаметр пузырьков до десятков микрометров (миллионных долей метра) – достаточно большого, чтобы их можно было увидеть с помощью оптического микроскопа. Более яркий сигнал увеличенных пузырьков быстро обнажил магнитную ориентацию отдельных наночастиц.

После установления предварительной магнитной ориентации наночастиц ученые использовали увеличенные пузырьки, чтобы отслеживать изменения в этой ориентации при приложении внешнего магнитного поля. Регистрация напряженности внешнего поля, необходимого для переворота северного и южного магнитных полюсов наночастиц, обнажила величину коэрцитивного поля, важной меры магнитной устойчивости наночастиц. Это жизненно важное свойство ранее было сложно измерить для отдельных наночастиц.

Сэмюэл М. Стейвис из NIST и Эндрю Л. Балк, которые проводили большую часть своих исследований в Лос-Аламосской национальной лаборатории и NIST, вместе с коллегами из NIST и Университета Джона Хопкинса, объяснили свои выводы в новом выпуске Прикладной физический обзор .

Команда исследовала два типа магнитных наночастиц – стержнеобразные частицы, состоящие из никель-железного сплава, и кластеры частиц неправильной формы, состоящие из оксида железа. По словам Балка, приложенное магнитное поле, которое расширяет пузырьки, играет ту же роль, что и давление в бутылке шампанского. Под высоким давлением, когда бутылка с шампанским закупоривается, пузырьки в основном не существуют, так же как магнитные пузырьки на пленке очень малы, чтобы их можно было обнаружить с помощью оптического микроскопа, когда внешнее магнитное поле не приложено. Когда пробка открыта и давление снижается, пузырьки шампанского расширяются, так же как внешнее магнитное поле раздувает магнитные пузырьки.

Каждый магнитный пузырь раскрывает ориентацию магнитного поля наночастицы в тот момент, когда пузырь развивался. Чтобы исследовать, как ориентация различалась во времени, ученые производили тысячи новых пузырьков в секунду. Таким образом, исследователи измерили изменения магнитной ориентации наночастиц в тот момент, когда они произошли.

Чтобы улучшить чувствительность метода, ученые изменили магнитные свойства пленки. В частности, команда настроила взаимодействие Дзялошинского-Мории (DMI), квантово-механическое явление, которое вызывает закручивание пузырьков в пленке. Этот поворот уменьшил энергию, необходимую для формирования пузыря, предлагая высокую чувствительность, необходимую для измерения поля самых маленьких магнитных частиц в исследовании.

Другие методы измерения магнитных наночастиц, которые требуют работы в вакуумной камере, охлаждения жидким азотом или измерения поля только в одном месте, не позволяют такое быстрое определение наноразмерных магнитных полей. С новым методом команда быстро изобразила магнитные поля от частиц на большой площади при комнатной температуре. Повышение удобства, скорости и гибкости позволяет проводить новые эксперименты, в которых ученые могут мгновенно отслеживать поведение магнитных наночастиц, например, при сборке и работе магнитных микросистем с большим количеством деталей.

Исследование является последним примером продолжающихся усилий в NIST по созданию устройств, которые расширяют измерительные возможности оптических микроскопов, инструмента, доступного в нескольких лабораториях, сказал Ставис. Это позволяет быстро измерять свойства отдельных наночастиц как для крупных исследований, так и для конструирования наночастиц, пояснил он.

Крошечный магнитный стержень помещают поверх полоски магнитной пленки. Этот наностержень имеет особую магнитную ориентацию и краевое поле, которое взаимодействует с пленкой, создавая область в форме пузыря, где направление магнетизма меняется на противоположное. Применяя второе магнитное поле, исследователи могут изменить магнитную ориентацию наностержня, заставляя магнитный пузырь перемещаться от одного конца стержня к другому. Измерение местоположения пузыря может дать ученым понимание геометрии и магнитных свойств наностержня и выявить, является ли он одним или кластеризованным с другими наночастицами. (Фото: С. Келли / NIST)

Source link