Forskere får ny kerneforståelse for nanopartikler

Under forsøget på at løse et mysterium om jernoxidbaserede nanopartikler, et forskerhold, der arbejder ved National Institute of Standards and Technology, faldt over en anden. Men når først dets implikationer er forstået, deres opdagelse* kan give nanoteknologer et nyt og nyttigt værktøj.

De pågældende nanopartikler er kugler af magnetit så små, at et par tusinde af dem stillet op ad hinanden ville strække et hårs bredde, og de har potentielle anvendelser både som grundlag for bedre datalagringssystemer og i biologiske applikationer såsom hypertermi behandling for kræft. En nøgle til alle disse applikationer er en fuld forståelse af, hvordan et stort antal af partiklerne interagerer magnetisk med hinanden over relativt store afstande, så videnskabsmænd kan manipulere dem med magnetisme.

"Det har længe været kendt, at en stor klump magnetit har større magnetisk 'moment' - tænk på det som magnetisk styrke - end en ækvivalent masse nanopartikler, "siger Kathryn Krycka, en forsker ved NIST Center for Neutron Research. "Ingen ved rigtig hvorfor, selvom. Vi besluttede at sondere partiklerne med stråler af lavenergineutroner, som kan fortælle dig meget om et materiales indre struktur."

Holdet påførte et magnetisk felt på nanokrystaller bestående af 9 nm brede partikler, lavet af samarbejdspartnere ved Carnegie Mellon University. Feltet fik partiklerne til at stille sig op som jernspåner på et stykke papir holdt over en stangmagnet. Men da holdet så nærmere ved hjælp af neutronstrålen, hvad de så, afslørede et kompleksitetsniveau, der aldrig er set før.

"Når feltet anvendes, den indre 7 nm brede 'kerne' orienterer sig langs feltets nord- og sydpol, ligesom store jernspåner ville, "Krycka siger." Men den ydre 1 nm 'skal' af hver nanopartikel opfører sig anderledes. Det udvikler sig også et øjeblik, men pegede vinkelret på kernens."

I et ord, bizar. Men potentielt brugbart.

Skallerne er ikke fysisk anderledes end interiøret; uden magnetfelt, skelnen forsvinder. Men når den først blev dannet, skallerne af nærliggende partikler ser ud til at tage hensyn til hinanden:En lokal gruppe af dem vil have deres skallers øjeblikke opstillet én vej, men så vil en anden gruppes skaller pege et andet sted hen. Dette fund får Krycka og hendes team til at tro, at der er mere at lære om den rolle, som partikelinteraktion spiller for at bestemme indre, magnetisk nanopartikelstruktur - måske noget nanoteknologer kan udnytte.

"Effekten ændrer fundamentalt, hvordan partiklerne ville tale med hinanden i en datalagringsindstilling, " siger Krycka. "Hvis vi kan kontrollere det - ved at variere deres temperatur, for eksempel, som vores fund tyder på, at vi kan - vi kan muligvis tænde og slukke effekten, som kan være nyttig i virkelige applikationer. "