Ученые обнаружили «социальное» поведение магнитных наночастиц
Магнитные наночастицы, равномерно распределенные в феррожидкостях, демонстрируют необычное поведение: мелкие частицы подчиняются коллективному поведению крупных частиц.
В ходе исследования соавторы статьи, профессор Уральского федерального университета Алексей Иванов и профессор Эдинбургского университета Филип Кэмп, сначала в математических расчетах, а затем в компьютерном моделировании упорядочили магнитные наночастицы разного размера воздействием внешнего магнитного поля, а затем отключили его.
«Обнаружился неожиданный эффект. Известно, что чем меньше магнитные частицы, тем быстрее происходит их разупорядочение (релаксация), и наоборот: чем крупнее частицы, тем дольше протекает их релаксация. Однако наши теоретические расчеты и последующее компьютерное моделирование показали, что в присутствии крупных частиц релаксация мелких проходит неравномерно, — объясняет Алексей Иванов. — В состоянии низкой остаточной намагниченности мелких частиц, то есть, когда неразупорядоченными остаются 5-10% таких частиц, они внезапно начинают подчиняться коллективному поведению крупных частиц. Время релаксации мелких частиц удлиняется и приближается ко времени релаксации крупных. Хотя количество мелких частиц в феррожидкостях всегда в разы больше, чем крупных. Это похоже на поведение непослушных детей. Чем меньше ребенок, тем быстрее он „разбалтывается“ в отсутствие взрослых. Но под влиянием взрослых, с оглядкой на них маленькие непоседы ведут себя гораздо скромнее».
Еще один обнаруженный эффект: при низких температурах длинные цепочки наночастиц образуют кольцеобразные агрегаты, в которых магнитные моменты частиц, замыкаясь в окружность, перестают реагировать на слабое внешнее магнитное поле.
«Это важно учитывать в магнитной гипертермии, когда с помощью магнитных частиц обеспечивается локальный нагрев участков органа, пораженных раковыми клетками. Чем крупнее частицы, тем больше нагрев, в то же время для большего лечебного эффекта частицы необходимо распределять так, чтобы они не слипались и не образовывали крупных агрегатов, комков. Другими словами, необходимо искать золотую середину», — подчеркивает Алексей Иванов.
Дальнейшие исследования соавторов статьи будут нацелены на выявление причин обнаруженных явлений. Открытие Алексея Иванова и Филипа Кэмпа имеет большое практическое значение для разработки так называемых умных материалов — способных контролируемым образом менять свойства под воздействием постоянного или переменного магнитного поля. Помимо магнитной гипертермии, такие материалы используются для повышения контрастности рентгеновских и томографических снимков внутренних органов, в технологиях адресной доставки лекарств к определенным участкам организма, при изготовлении жидкокристаллических экранов, фотоприемников, теплопроводников, герметиков, гидравлических амортизаторов.
Статья опубликована в научном издании Journal of Molecular Liquids. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках программы «Приоритет-2030».
Фото: Владимир Петров, сайт УрФУ