Магнитные свойства наноструктур

 

 

Русунок 27 - Микрофотография магнитные наночастиц магнетита, полученных осаждением золя из водной фазы (а), магнитно-резонансная томография наночастиц в мозговой ткани мыши (б).

Метод магнито-жидкостной гипертермии  состоит в том, что в опухолевую ткань вводится магнитная жидкость, содержащая нанодисперсные частицы  ферро- или ферримагнетика (рис. 27). Затем опухоль подвергается воздействию переменного внешнего магнитного поля, в результате чего наночастицы нагреваются, разогревая окружающую среду. Нагрев убивает раковые клетки и одновременно усиливает эффективность последующей лучевой терапии. Основным назначением этого метода, прежде всего, является терапия наиболее злокачественных форм опухоли головного мозга, хотя такое лечение эффективно лишь на ранних стадиях заболевания.

Нагрев  частиц происходит за счет магнетокалорического эффекта - изменения температуры магнетика при адиабатическом изменении напряженности магнитного поля Н. При увеличении намагниченности частицы происходит ее разогрев, а при размагничивании - охлаждение. Разогрев магнитных наносистем в переменном магнитном поле однозначно связан с потерями теплоты на перемагничивание системы - то есть с анизотропией магнитных свойств. Для пара- и суперпарамагнетиков (не имеющих магнитного гистерезиса) перемагничивание происходит без потери энергии: то есть переменное магнитное поле не вызывает разогрева вещества. Если же магнитные частицы обладают значительной коэрцитивной силой, то при перемагничивании часть энергии затрачивается на преодоление энергетического барьера, а впоследствии рассеивается веществом в виде тепла. При этом потеря энергии W пропорциональна площади петли магнитного гистерезиса S: W =. В переменном магнитном поле количества тепла, генерируемого единицей объема, зависит от частоты переменного магнитного поля, и может быть рассчитано по выражению:

Р = μ₀πχⁿƒH², где μ₀ - магнитная проницаемость вакуума, Н - напряженность магнитного поля и χ-мнимая составляющая магнитной восприимчивости.

Разогрев магнитной фазы за счет многократного перемагничивания наночастиц позволяет нагреть окружающую среду до температуры значительно превышающей предельную температуру жизнедеятельности клетки. Однако, вследствие высокой теплоемкости водной фазы, нагрев тканей происходит неравномерно, что ведет к поражению здоровых клеток наравне с клетками опухоли. Таким образом, одной из первостепенных задач локальной гипертермии является поиск эффективных методов тепловыделения и терморегуляции нагреваемой среды. Одним из наиболее перспективных способов ее решения является использование наноструктур, испытывающих фазовый переход (парамагнетик-ферромагнетик или диэлектрик-металл) при температуре 43-45°С. В частности подбор активного вещества с температурой ферро- или ферримагнитного упорядочения (температуры Кюри для ферромагнетика или температуры Нееля для ферримагнетика) равной 42-43°С позволяет создать саморегулирующуюся систему разогреваемую в магнитном поле до точно определенной температуры - при перегреве магнитное вещество переходит в парамагнитное состояние (рис. 28). Одной из таких систем являются наночастицы манганита лантана, допированного серебром, La_0.8Ag_yMnO₃ (у≤0,2) (LAMO).

Интересно отметить, что в ходе исследований выяснилось, что в высоких магнитных полях наночастицы способны разрушать клеточные мембраны и без температурного воздействия. После обработки раковой опухоли с введенными магнитными наночастицами в поле 7 Тесла было обнаружено разрушение раковых клеток на 30-85 %. То же самое поле в отсутствие наночастиц не вызывало никакого эффекта.

Рисунок 28 – Принцип саморегуляции  нагрева среды ферромагнитными  наночастицами при терапии рака методом гипертермии.

 

Достоверно не известно, как именно магнитные частицы совершают  свою разрушительную работу. Было обнаружено, что раковые клетки, подвергшиеся воздействию наночастиц, имеют разрывы в мембранах, в то время как здоровые клетки - нет.

Недавно в печати появилось сообщение  о том, что новая методика, основанная на применении магнитных частиц, позволяет обнаруживать мета стазы в лимфатических узлах даже в том случае, когда они не могут быть определены любыми другими методами. Будучи захвачены микрофагами, магнитные частицы изменяют свойства клетки, вызывая, в частности, уменьшение сигнала, и "затуманивание" лимфатического узла при наблюдении с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). В местах расположения метастаз опухолевые клетки заполняют лимфатические каналы, существенно уменьшая поток микрофагов, и, тем самым, число частиц, замазывающих картину МРТ.

Еще одним применением магнитных  наноматериалов является использование их для доставки лекарств.

Многие легочные заболевания, включая  астму, кистозный фиброз и рак  легких, лечатся введением препаратов непосредственно в легкие для  минимизации системного воздействия и максимизации эффекта на пораженный орган. Для этого используются специальные ингаляторы, подающие лекарство в дыхательное горло, а чтобы оно достигло легких, пациент должен сделать очень глубокий вдох. Кроме того, что больным с тяжелой стадией заболевания трудно сделать

 достаточно глубокий вдох, эффективность таких ингаляторов очень низка: лишь 4% лекарства достигают цели, что заставляет принимать большие дозы, и в свою очередь может вызвать нежелательные побочные эффекты.

Немецкие ученые предложили смешивать  лекарства с магнитными на- ночастицами, или наномагнетозолями, в микрокаплях  воды, чтобы затем направить их к пораженным участкам с помощью  магнитного поля. Ученые использовали наномагнетозоли из частиц оксида железа диаметром 50 нм. Были проведены эксперименты с внешним и внутренним, для  введения которого вскрывалась грудная клетка мыши, магнитными зондами. Оказалось, что в легкое, рядом с которым находился внутренний зонд, попало в восемь раз больше лекарства, чем во второе легкое, находящееся вне магнитного поля. При использовании внешнего зонда эффект снижается: легкое с внешним

ондом получило дозу лекарства лишь в два с половиной раза большую. Схематически проведенный эксперимент  изображен на рисунке 29.

Рисунок 29 – Примерное  расположение магнитного зонда в  организме мыши.

 До применения данной методики в лечении людей ещё далеко: дело в том, что человеческая дыхательная система значительно крупнее и сложнее, чем мышиная, поэтому подобная навигация частиц будет осложнена. Кроме того, понадобится значительно более мощный магнитный зонд для преодоления дополнительного расстояния до внутреннего легкого. Однако эти исследования, безусловно, открывают новые возможности и перспективы в медицине.

Рисунок 30 - Микрофотография  магнитных наночастиц с модифицированной поверхностью

 При использовании магнитных наночастиц для доставки лекарств непосредственно в биологических средах организма, они должны обладать биосовместимостью. Для этого их, например, внедряют в биосовместимые полимеры или модифицируют их поверхность поверхностно активными веществами. Покрывают магнитные частицы и неорганическими веществами, например оксидом кремния (рис. 30). Схематически магнитная частица, используемая для доставки лекарств, приведена на (рис. 31). В качестве магнитного ядра, как правило, выступает магнетит или y-Fe₂0₃. В ряде случаев используются частицы железа, кобальта или никеля.

Рисунок 31 - Схематическое изображение магнитной наночастицы, используемой для доставки лекарств. Частица имеет структуру ядра/оболочки. В качестве ядра выступает магнитная частица феррита, оболочка - диоксид кремния. К оболочке прикреплены функциональные группы, к которым могут присоединяться лекарства.

 В качестве нового фотонного материала ученые из калифорнийского университета в Риверсайде получили суспензию наночастиц оксида железа Fe₃0₄ в воде, цвет которой можно варьировать с помощью внешнего магнитного поля. Изменение силы магнитного поля приводит к реорганизации сферических наночастиц оксида железа в растворе, и соответственно, к изменению особенностей прохождения света через него.

 Основной сложностью было химически получить такую структуру оксида железа, чтобы составляющие её наночастицы самоорганизовывались в трехмерный коллоидный фотонный кристалл в присутствии внешнего магнитного поля. Были получены кристаллы, демонстрирующие широкую, охватывающую весь видимый спектр излучений, и полностью обратимую реакцию на воздействие внешнего магнитного поля (рис. 32). Для регулировки расстояния между частицами, определяющего длину волны света, который фотонный кристалл будет отражать, ученые использовали суперпарамагнитные свойства Fe₃0₄.

  

Рисунок 32 - Коллоидный раствор  оксида железа в воде меняет цвет под  действием внешнего магнитного поля. Величина магнитного поля увеличивается слева направо.

 Эта методика имеет большой потенциал использования в различных фотонных устройствах, например в телекоммуникациях, сенсорах и лазерах, а также в производстве цветных отражающих дисплеев: из подобных фотонных кристаллов можно сделать миллионы крошечных пикселей, контролируя цвет каждого пикселя с помощью магнитного поля. Данная технология привлекательна ещё и с экономической точки зрения, так как во всех пикселях используется только один материал, оксид железа, который к тому же дешев и широко распространен. Важно, что в подобных устройствах не требуется генерировать свет в каждом пикселе: для создания изображений будет использоваться отраженный свет.

При получении  материалов на основе высокотемпературных  сверхпроводников, являющихся идеальными диамагнетиками, важным моментом является увеличение плотности критического тока - тока, который может протекать через сверхпроводник без разрушения сверхпроводимости. Плотность критического тока может быть увеличена за счет создания включений немагнитной фазы, являющихся центрами пиннинга магнитных вихрей. Рассчитано, что для достижения максимальной плотности критического тока эти включения должны иметь размеры в нанометровом диапазоне.

На химическом факультете и факультете наук о материалах МГУ проводились обширные исследования по получению материалов на основе высокотемпературных сверхпроводников системы Bi-Sr-Ca-Cu-O с высокодисперсными включениями различных фаз, например MgO, Sr₂ScBiО₆, (Sr,Ca)In₂O₄ и др., выступающими в роли центров пиннинга.

Ученые из Саарландского Университета в Саарбрюкене обнаружили наноразмерные  полосообразные структуры в сверхпроводнике  системы Sm- Ba-Cu-O, причем они наблюдаются в кристаллах, выращенных как методом высокоскоростного вытягивания, так и кристаллизацией расплава. Нанополоски образованы цепями индивидуальных нанокластеров, состоящих из элементарных ячеек обогащенной самарием фазы – Sm_1+хBa_2-xCu₃О_y.

Ученые считают, что эти структуры  могут служить эффективными центрами пиннинга магнитных вихрей благодаря  своим малым размерам и периодичности, составляющей от 10 до 60 нм (рис. 33), что считается идеальным для достижения максимальной плотности критического тока размером центров пиннинга подобных материалов.

Большие значения плотности критического тока (J_c=38000 А/см² при Т=77 К и машитной индукции приложенного поля 2 Тл) делают SmBaCuO перспективным материалом для массового применения.

Рисунок 33 - Нанополосы в текстурироваииом образце сверхпроводника системы Sm-Ba-Cu-O, полученном кристаллизацией расплава.

 

 

Заключение

В заключение необходимо еще раз  подчеркнуть, что развитие науки  о наноструктурах и нанотехнологий даст возможность получения наноматериалов с качественно новыми свойствами. Развитие наноэлектроники и наномеханики послужит основой качественно нового этапа в разработке новейших информационных технологий, средств связи, в решении проблем качественно нового уровня жизни и пр. Успех в развитии этих направлений определится, по сути, решением двух основных проблем: разработка надежных способов создания наноматериалов и нанообъектов с требуемыми свойствами, включая использование методов поатомной сборки и эффектов самоорганизации; разработка новых и развитие существующих методов нанодиагностики с атомным разрешением. Современный прогресс в области нанотехнологий позволяет надеяться, что уже в недалеком будущем многие проблемы будут решены.

Современные возможности лабораторного  эксперимента по наблюдению и изучению явлений в нанометровой шкале  пространственных размеров и заманчивые перспективы создания уникальных материалов и наноустройств порождают новые  теоретические проблемы. Необходимость  конструктивного решения этих проблем  ведет к интенсивным исследованиям, формирующим новые разделы в  вычислительной физике и вычислительной химии.

Время стремительно толкает нас  к вершинам новых побед и открытий и созданные нанороботы не являются исключением, все только в начале пути, а нам остается только наблюдать, как молекулярные наномашины будут изменять жизнь вокруг нас.

 

Список  использованной литературы

1. Суздалев И. П. Физико-химия нанокластеров и наноструктур. – М. КомКнига, 2006. – 592с.
2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. - М.: Физматлит, 2005. – 415с.
3. Наноструктурные материалы: Учебное пособие / Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля / Под ред. И. Б. Ковалева. – М.: Академия, 2005. – 192с.
4. Пул Ч., Оуэнс Э. Мир материалов и технологий. Нанотехнологии: / Перев. с англ. под ред. Ю.И. Головина– М.: Техносфера, 2004. – 327с.
5. URL: http://www.nanojournal.ru.
6. URL: http://www.do.nano.fcior.edu.ru
7. URL: http://www.nanometer.ru
8. URL: http://www.74rif.ru/nano-magn.html