Уральские ученые обнаружили «социальное» поведение магнитных наночастиц
Эффект «подчинения» поведения малых магнитных наночастиц крупным наночастицам в феррожидкостях обнаружили ученые Уральского федерального университета (УрФУ), Екатеринбург, 13 мая сообщает пресс-служба вуза.
Результаты своего исследования, которое играет важную роль в таких областях применения магнитных наночастиц, как магнитные технологии адресной доставки лекарств и лечения онкологических заболеваний, ученые опубликовали в научном издании Journal of Molecular Liquids.
Феррожидкости, поясняют авторы статьи, представляют собой коллоидные суспензии однодоменных ферромагнитных наночастиц в немагнитной жидкости-носителе. Они широко используются в таких приложениях, как переключаемые оптические среды, герметики, теплопроводы, разделительные среды, псевдоожиженные слои газа и интеллектуальная гидравлика.
Кроме того, растет интерес к применению феррожидкостей в качестве сенсоров, для адресной доставки лекарств и в качестве нагревательных сред при лечении рака магнитной гипертермией.
Проводя исследование поведения магнитных наночастиц, соавторы статьи, профессор Уральского федерального университета Алексей Иванов и профессор Эдинбургского университета Филип Кэмп, в математических расчетах, а затем в компьютерной модели упорядочили магнитные наночастицы разного размера воздействием внешнего магнитного поля, а затем отключили его.
Возникший при этом неожиданный эффект Алексей Иванов описал так: «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».
Получается, что в состоянии низкой остаточной намагниченности мелких частиц, когда из них неразупорядоченными остаются 5–10%, эти частицы внезапно начинают подчиняться коллективному поведению крупных частиц. Их время релаксации удлиняется, приближаясь ко времени релаксации крупных частиц при том, что количество мелких частиц в феррожидкостях всегда в несколько раз 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», — образно описал поведение малых магнитных наночастиц ученый.
Был обнаружен еще один неожиданный эффект: длинные цепочки наночастиц при низких температурах перестраиваются в кольцеобразные агрегаты, магнитные моменты частиц которых, замыкаясь в окружность, перестают реагировать на слабое внешнее магнитное поле.
Это явление важно учитывать при использовании таких наночастиц в магнитной гипертермии, при которой с их помощью обеспечивается локальный нагрев участков органа, пораженных раковыми клетками, отметил Иванов.
Нагрев тем больше, чем крупнее частицы, однако для лучшего лечебного эффекта распределять частицы следует так, чтобы они не слипались и не образовывали крупных комков. То есть в этом случае «необходимо искать золотую середину», указал исследователь.
Свою дальнейшую работу соавторы намерены посвятить выявлению причин обнаруженных явлений.
Практическое применение открытие ученых найдет в разработке технологий изготовления «умных материалов», которые способны изменять свойства под воздействием постоянного или переменного магнитного поля.
Кроме уже упомянутой магнитной гипертермии, такие материалы применяются для повышения контрастности рентгеновских и томографических снимков внутренних органов, для адресной доставки лекарств в определенный участок организма пациента, а также при изготовлении жидкокристаллических экранов, фотоприемников, теплопроводников, герметиков, гидравлических амортизаторов.
