En sprudlende ny måde at detektere magnetfelterne på nanometer-skala partikler

Som om de var bobler, der udvider sig i en netop åbnet flaske champagne, små cirkulære områder af magnetisme kan hurtigt forstørres for at give en præcis metode til måling af nanopartiklers magnetiske egenskaber.

Teknikken, fjernet proppen af ​​forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres samarbejdspartnere, giver en dybere forståelse af nanopartiklers magnetiske adfærd. Fordi metoden er hurtig, økonomisk og kræver ikke særlige forhold - målinger kan forekomme ved stuetemperatur og under atmosfærisk tryk, eller endda i væsker – det giver producenterne en praktisk måde at måle og forbedre deres kontrol over egenskaberne af magnetiske nanopartikler til en lang række medicinske og miljømæssige applikationer.

Magnetiske nanopartikler kan tjene som små aktuatorer, magnetisk skubbe og trække andre små genstande. Stoler på denne ejendom, forskere har brugt nanopartiklerne til at rense kemikaliespild og samle og drive nanorobotsystemer. Magnetiske nanopartikler har endda potentialet til at behandle kræft - hurtigt at vende magnetfeltet af nanopartikler ind i en tumor genererer nok varme til at dræbe kræftceller.

Individuelle magnetiske nanopartikler genererer magnetiske felter som nord- og sydpolen af ​​velkendte stangmagneter. Disse felter skaber magnetiske bobler - flade cirkler med indledende diametre mindre end 100 nanometer (milliarddele af en meter) - på overfladen af ​​en magnetisk følsom film udviklet ved NIST. Boblerne omgiver nanopartikelpolen, der peger modsat retningen af ​​filmens magnetfelt. Selvom de koder for information om nanopartiklernes magnetiske orientering, de små bobler opdages ikke let med et optisk mikroskop.

Imidlertid, som bobler i champagne, de magnetiske bobler kan udvides til hundredvis af gange deres oprindelige diameter. Ved at påføre et lille eksternt magnetfelt, holdet forstørrede boblernes diameter til titusvis af mikrometer (milliontedele af en meter) - stor nok til at se med et optisk mikroskop. Det lysere signal fra de forstørrede bobler afslørede hurtigt den magnetiske orientering af individuelle nanopartikler.

Efter bestemmelse af nanopartiklernes indledende magnetiske orientering, forskerne brugte de forstørrede bobler til at spore ændringerne i denne orientering, mens de påførte et eksternt magnetfelt. Registrering af styrken af ​​det eksterne felt, der kræves for at vende nanopartiklernes nord- og sydmagnetiske poler, afslørede størrelsen af ​​tvangsfeltet, et grundlæggende mål for nanopartiklernes magnetiske stabilitet. Denne vigtige egenskab havde tidligere været udfordrende at måle for individuelle nanopartikler.

Samuel M. Stavis fra NIST og Andrew L. Balk, der udførte det meste af sin forskning på Los Alamos National Laboratory og NIST, sammen med kolleger ved NIST og Johns Hopkins University, beskrev deres resultater i et nyligt nummer af Fysisk gennemgang anvendt .

Teamet undersøgte to typer magnetiske nanopartikler-stavformede partikler fremstillet af en nikkel-jernlegering og uregelmæssigt formede partikelklynger lavet af jernoxid. Det påførte magnetfelt, der udvidede boblerne, spiller en lignende rolle som trykket i en flaske champagne, Sagde Balk. Under højt tryk, når champagneflasken er proppet, boblerne er stort set ikke-eksisterende, ligesom de magnetiske bobler på filmen er for små til at blive detekteret af et optisk mikroskop, når der ikke påføres et eksternt magnetfelt. Når proppen er sprunget og trykket sænkes, champagneboblerne udvider sig, ligesom det ydre magnetfelt forstørrede magnetboblerne.

Hver magnetisk boble afslører orienteringen af ​​magnetfeltet i en nanopartikel i det øjeblik, hvor boblen blev dannet. For at studere, hvordan orienteringen varierede med tiden, forskerne genererede tusindvis af nye bobler hvert sekund. På denne måde forskerne målte ændringer i nanopartiklernes magnetiske orientering i det øjeblik, de opstod.

For at øge følsomheden af ​​teknikken, forskerne indstillede filmens magnetiske egenskaber. I særdeleshed, holdet justerede Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) interaktionen, et kvantemekanisk fænomen, der skaber et twist i boblerne i filmen. Denne drejning reducerede den nødvendige energi til at danne en boble, giver den høje følsomhed, der er nødvendig for at måle feltet af de mindste magnetiske partikler i undersøgelsen.

Andre metoder til at måle magnetiske nanopartikler, som kræver afkøling med flydende nitrogen, arbejder i et vakuumkammer, eller måling af marken på kun et enkelt sted, tillader ikke så hurtig bestemmelse af magnetiske felter i nanoskala. Med den nye teknik, holdet afbildede hurtigt de magnetiske felter fra partiklerne over et stort område ved stuetemperatur. Forbedringen i hastighed, bekvemmelighed og fleksibilitet muliggør nye eksperimenter, hvor forskere kan overvåge magnetiske nanopartiklers opførsel i realtid, såsom under montering og drift af magnetiske mikrosystemer med mange dele.

Undersøgelsen er det seneste eksempel på en igangværende indsats hos NIST for at lave enheder, der forbedrer optiske mikroskopers målemuligheder, et instrument tilgængeligt i de fleste laboratorier, sagde Stavis. Dette muliggør hurtig måling af egenskaberne af enkelte nanopartikler til både grundforskning og nanopartikelfremstilling, han tilføjede.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.