E-mail | SIS | Moodle | Helpdesk | Knihovny | cuni.cz | CIS Více

česky | english Přihlášení



Magnetické nanočástice mění svoji magnetickou strukturu v magnetickém poli

Jsou-li ultra jemné magnetické nanočástice vystaveny vnějšímu magnetickému poli, jejich magnetické jádro roste nečekaným způsobem. Na tomto pozorování mezinárodního týmu vědců se podíleli i odborníci z katedry anorganické chemie PřF UK. Studie „Field-Dependence of Magnetic Disorder in Nanoparticles“ byla publikována v prestižním časopise Physical Review X.

Mezinárodní výzkumný tým, složený z vědců Univerzity v Kolíně nad Rýnem (UoC), Přírodovědecké fakulty UK,  výzkumného centra Forschungszentrum Jülich a Institutu Laue-Langevin v Grenoblu studuje vliv magnetického pole na magentické částice. 

Výsledky umožňují přesnější pochopení struktury a chování magnetických nanočástic v magnetickém poli, což je důležité pro mnohé aplikace. Magnetické nanočástice mohou být použity například pro tepelnou terapii při léčbě rakoviny. Rovněž se magnetické nanočástice  používají jako katalyzátory v chemických procesech a hrají velkou roli ve vývoji nových technologií pro výrobu baterií.

Nanočástice jsou přirozeně se vyskytující nebo synteticky vyrobené částice v rozmezí od 1 do 100 nanometrů. Jeden nanometr je jedna miliontina milimetru. Částice se skládají z několika tisíc atomů a jsou o něco menší než bakterie. Ve srovnání s pevnými látkami a většími částicemi mají nanočástice specifické chemické a fyzikální vlastnosti, díky tomu z nich vyrobit zcela nové materiály.

Magnetické nanočástice sestávají z magnetického materiálu obsahujícího například železo, nikl nebo kobalt. Pokud jsou částice dostatečně malé, chovají se jako malé magnety, které mají severní a jižní pól a mohou se otáčet jakýmkoli směrem. Malé magnetické částice mohou být nalezeny přirozeně ve skalách, ale také i v některých živých organismech, jako jsou bakterie, kde "minimagnety" pomáhají orientovat jejich pohyb (magnetotaxis). Magnetické částice jsou důležité v technologiích pro magnetické kapaliny (ferrofluidy), permanentní magnety, magnetická paměťová média nebo biomedicínské aplikace.

Vědci obvykle popisují vnitřní strukturu magnetické nanočástice pomocí jednoduchého statického modelu. Podle tohoto modelu jsou magnetické nanočástice složeny z magnetického jádra a povrchu, který není - nebo jen mírně - magnetický. Až dosud vědci předpokládali, že magnetismus v nanočástici je v zásadě omezen na oblast jádra, protože má určitý řád atomů, kde magnetické momenty nebo spiny, tj. vnitřní hybnost elektronů, mohou být pravidelně zarovnané. Na rozdíl od toho, v strukturně narušené povrchové oblasti nanočástice jsou spiny náhodně orientovány. Proto zde nemůže existovat žádne uspořádání spinů, a tedy ani magnetismus.

Dr. Sabrina Disch z oddělení chemie UoC a Dr. Dominika Zákutná z katedry anorganické chemie PřF UK se svými výzkumnými kolegy nyní prokázali pomocí rozptylu neutronů na feritických nanočásticích, že se struktura magnetických nanočástic mění v magnetickém poli. V experimentu se objem magnetického jádra zvýšil až o 20 procent, když bylo aplikováno vnější magnetické pole. Současně se tloušťka neuspořadané povrchové plochy snížila z 0,7 nanometrů (při 11 militesla) na 0,28 nanometrů (při 1,2 tesla).

"Aplikované magnetické pole způsobí, že některé z dříve neuspořadáných magnetických momentů v povrchové oblasti nanočástice se postupně zarovnává do směru vnějšího pole, a tudíž jsou uspořádány způsobem srovnatelným s magnetizací v jádrové oblasti. Nicméně, pořád zůstává na povrchu zbytkový prostor s různě orientovanými spiny, které nemohou být dále uspořadány pomocí vnějšího magnetické pole",  uvedla Dr. Dominika Zákutná, bývalá doktorantka výzkumné skupiny Dr. Disch, která dělala velkou část svého výzkumu na Instituci Laue-Langevin v Grenoblu ve Francii. V experimentu tato neuspořádaná nemagnetická oblast tvoří až 12 procent objemu nanočástice, a to i při nejvyšším aplikovaném magnetickém poli.

Celkově výzkum ukázal, že rozsah neuspořadánosti spinů na povrchu částic ovlivňuje velikost magnetického jádra částic.  "Naše výsledky ukazují, že statický model pro magnetické nanočástice, který dosud mezi vědci převládal, není dostatečný a musí být rozšířen o složku, která je závislá na magnetickém poli a je určena strukturální poruchou", uzavřela Dr. Disch.

Mezinárodní výzkumná skupina používala pro tyto experimenty instrumenty pro neutroný rozptyl provozované Institutem Laue-Langevin v Grenoblu a Jülichovým centrem pro rozptyl neutronů v Heinz Maier-Leibnitz Zentrum v Garchingu. Neutronový rozptyl se ve vědě často používá ke stanovení strukturálních a dynamických vlastností materiálů. V této studii byl neutronový royptyl použit k vyřešení magnetizace jádra a povrchu v magnetických nanočásticích.

Kontakt:

Dr. Dominika Zákutná
Katedra Anorganické Chemie
Přírodovědecká fakulta UK
+420 221 951 246

dominika.zakutna@natur.cuni.cz

Publikace:

‘Field-Dependence of Magnetic Disorder in Nanoparticles’ (https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.031019)

 

Publikováno: Úterý 28.07.2020 11:10

Akce dokumentů