🥘 💜 🙋 विशेषज्ञ की राय: चुंबकीय नैनोकण: सिद्धांत और आधुनिक तकनीकी अनुप्रयोग 🧥 🏩 🤵🏻

जैसा कि हमने पहले लिखा था, नेशनल यूनिवर्सिटी ऑफ़ साइंस एंड टेक्नोलॉजी "MISiS" में वार्षिक कार्यक्रम "क्रिसमस व्याख्यान" आयोजित किया जाता है । इस घटना के ढांचे में, हमारे प्रमुख वैज्ञानिक अपने शोध क्षेत्रों और प्रमुख उपलब्धियों पर व्याख्यान देते हैं। हम पहले ही डी.वी. की विशेषज्ञ राय प्रकाशित कर चुके हैं । व्याख्यान के बारे में होलबर्ग ।

आज हम अपने प्रमुख वैज्ञानिक, परियोजना प्रबंधक "नए सेंसर, समग्र सामग्री और उन पर आधारित उपकरणों के निर्माण के लिए अनाकार फेरोमैग्नेटिक माइक्रोवियर्स के विकास और अनुप्रयोग" के विशेषज्ञ राय प्रकाशित करना चाहते हैं । प्रोफेसर ऊसोव निकोले अलेक्जेंड्रोविच ।
उनका व्याख्यान "आधुनिक अनुप्रयोगों में आधुनिक चुंबकत्व: चुंबकीय रिकॉर्डिंग, बायोमेडिसिन, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक"3 दिसंबर को हुई और सभी छात्रों पर एक ज्वलंत छाप छोड़ी, और कई शोधकर्ताओं ने सामग्री की तैयारी में उनकी पैदल सेना पर ध्यान दिया। हमारी निर्देशन टीम ने उस व्याख्यान के लिए एक बहुत अच्छा वीडियो संपादित किया, वैसे यह बाकी सभी की तुलना में अधिक समय तक चला। हम प्रोफेसर को हमारे लिए एक विशेषज्ञ की राय लिखने में मदद करने में मदद नहीं कर सके। हमेशा की तरह, निकोलाई अलेक्जेंड्रोविच ने बहुत जिम्मेदारी से काम किया और दो महीने बाद उसने हमें सामग्री भेजी। बेशक, यह एक लोकप्रिय विज्ञान प्रारूप नहीं है, और इसे समझने के लिए भौतिकी के विश्वविद्यालय स्तर के ज्ञान की आवश्यकता होगी।
अपने विशेषज्ञ की राय में, प्रोफेसर चुंबकीय नैनोकणों और उनके आधुनिक तकनीकी अनुप्रयोगों के बारे में बात करेंगे।

(CrO2), (Sn) (Sb).
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आधुनिक नैनो तकनीक में चुंबकीय नैनोकणों के एन्सेम्बल का बहुत व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। यह चुंबकीय नैनोकणों के ऐसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों का उल्लेख करने के लिए पर्याप्त है, जैसे कि सूचना की सुपरडेंस चुंबकीय रिकॉर्डिंग, अद्वितीय रासायनिक गुणों के साथ चुंबकीय तरल पदार्थ, अत्यधिक ज़बरदस्त स्थायी चुम्बक, आदि। हाल ही में, चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग, लक्षित दवा वितरण और चुंबकीय चुंबकीय जैसे चुंबकीय नैनोकणों के बहुत ही होनहार जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों। अतिताप, विषाक्त पदार्थों और अशुद्धियों आदि से जैविक मीडिया की गहरी सफाई। घ।

रसायनज्ञ, भौतिक विज्ञानी, इंजीनियर और प्रौद्योगिकीविद कई वर्षों से चुंबकीय नैनोकणों के विभिन्न असेम्बल के साथ काम कर रहे हैं, जो विभिन्न प्रकार के तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए फिजियोकेमिकल गुणों के अनुकूलन की कोशिश कर रहे हैं। यह काम पूरा होने से बहुत दूर है। यह कारण है, सबसे पहले, इस तथ्य से कि चुंबकत्व की घटना का अध्ययन करना काफी कठिन है। और दूसरी बात, नैनो-ऑब्जेक्ट्स के साथ काम करना बहुत मुश्किल है, जिसे केवल उन्नत इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी की मदद से देखा जा सकता है।

फेरोमैग्नेटिक पदार्थ में एक विशेष चुंबकीय क्रम होता है, जो सामान्य पदार्थों में अनुपस्थित होता है। अर्थात्, फेरोमैग्नेटिक बॉडी के प्रत्येक बिंदु पर एक मैग्नेटाइजेशन वेक्टर M® होता है, जिसकी लंबाई स्थिर होती है, और भौतिक मात्रा के बराबर होती है जिसे पदार्थ का संतृप्ति मैग्नेटाइजेशन कहा जाता है; | M® | = सुश्री। संतृप्ति चुंबकीयकरण एक फेरोमैग्नेटिक पदार्थ की एक इकाई मात्रा में प्राथमिक चुंबकीय क्षणों की संख्या है, जिनमें से व्यवहार क्वांटम-मैकेनिकल एक्सचेंज इंटरैक्शन [1,2] द्वारा सहसंबद्ध है। फेरोमैग्नेटिज़्म में अध्ययन का मुख्य विषय लागू चुंबकीय क्षेत्र और अन्य कारकों के आधार पर, फेरोमैग्नेटिक बॉडी की मात्रा पर एम® वेक्टर के वितरण के संभावित प्रकारों का विश्लेषण है। यह पता चला है कि वेक्टर एम® अचानक, अचानक नहीं बदल सकता है, लेकिन केवल सुचारू रूप से चुंबकीय शरीर में घूम सकता है,अपनी लंबाई बनाए रखना। इस प्रकार, वास्तव में, चुंबकत्व एक त्रि-आयामी वेक्टर क्षेत्र है।

ध्यान दें कि हम विभिन्न भौतिक क्षेत्रों से घिरे रहते हैं। उदाहरण के लिए, हमारे और हमारे आस-पास का विषम तापमान वितरण एक त्रि-आयामी स्केलर तापमान क्षेत्र है। इस क्षेत्र को एकल फ़ंक्शन टी (आर, टी) द्वारा वर्णित किया गया है, जो न केवल अंतरिक्ष आर में एक बिंदु की स्थिति पर निर्भर कर सकता है, बल्कि समय टी पर भी। एक वेक्टर क्षेत्र का वर्णन करने के लिए, तीन कार्यों की आवश्यकता होती है - कार्टेशियन समन्वय प्रणाली के अक्ष पर इस वेक्टर के अनुमान, {Mx (r, t), My (r, t), Mz (r, t)}। चुंबकीय वेक्टर की एक आवश्यक संपत्ति जो इस वेक्टर के क्षेत्र को अन्य भौतिक क्षेत्रों से अलग करती है, चुंबकीय वेक्टर, Mx2 (r, t) + My2 (r, t) + Mz2 (r, t = Ms2) की लंबाई की स्थिरता है, जो क्वांटम यांत्रिकी के नियमों द्वारा निर्धारित है [ 1,2]। यह संबंध गैर-रैखिक है क्योंकि यह मात्राओं के वर्गों को जोड़ता है। इसलिए, फेरोमैग्नेटिज़्म के अध्ययन के लिए विशेष nonlinear गणित के उपयोग की आवश्यकता होती है,जो सामान्य गणितीय विश्लेषण की तुलना में बहुत अधिक जटिल है। इसके अलावा, कोई भी चुम्बकीय निकाय अपने आप में और अपने आस-पास एक चुम्बकीय क्षेत्र वितरण, H® बनाता है, जो स्वयं ही फेरोमैग्नेटिक निकाय में चुम्बकीयकरण के वितरण को प्रभावित करता है। मैग्नेटाइज्ड बॉडी से दूर जाने पर ~ 1 / r3 के अनुपात में, धीरे-धीरे अंतरिक्ष में फ़ील्ड H® कम हो जाती है, यानी यह लंबी दूरी की है। इसका मतलब यह है कि चुम्बकीय शरीर के पर्याप्त रूप से दूर के खंड भी चुंबकीय संपर्क से जुड़े होते हैं, अर्थात उनका व्यवहार सुसंगत होता है।वह है, यह एक लंबी दूरी है। इसका मतलब यह है कि चुम्बकीय शरीर के पर्याप्त रूप से दूर के भाग भी चुंबकीय संपर्क से जुड़े होते हैं, अर्थात उनका व्यवहार सुसंगत होता है।वह है, यह एक लंबी दूरी है। इसका मतलब यह है कि चुम्बकीय शरीर के पर्याप्त रूप से दूर के खंड भी चुंबकीय संपर्क से जुड़े होते हैं, अर्थात उनका व्यवहार सुसंगत होता है।

ये दो परिस्थितियां - समीकरणों की गैर-रैखिकता जो अंतरिक्ष में एम® वेक्टर के वितरण का वर्णन करती हैं, और चुंबकीय बातचीत की लंबी दूरी की प्रकृति फेरोमैग्नेटिक सामग्रियों के गुणों के सैद्धांतिक विश्लेषण को बहुत जटिल करती है। हालाँकि, 1935 के अपने प्रसिद्ध कार्य [3] के प्रसिद्ध कार्य में, लैंडौ और लाइफशिट द्वारा बहुत पहले से ही फेरोमैग्निज्म के सिद्धांत के विकास में महत्वपूर्ण प्रगति हुई, फेरोमैग्नेटिज़्म के मूल समीकरणों को शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन विधियों के विकास के संबंध में पिछली शताब्दी के 90 के दशक में हुआ। अब तक, चुंबकीय नैनोपार्टिकल्स फेरोमैग्नेटिज़्म के सिद्धांत की केंद्रीय वस्तुओं में से एक बने हुए हैं, और अभी भी प्रायोगिक अनुसंधान का एक महत्वपूर्ण क्षेत्र हैं। तथ्य यह है कि विस्तारित फेरोमैग्नेटिक बॉडी में बड़ी संख्या में चुंबकीय डिग्री की स्वतंत्रता है। वास्तव में,मैक्रोस्कोपिक रूप से बड़े शरीर में, एम® वेक्टर अंतरिक्ष में भारी संख्या में विस्तार कर सकता है। इस घटना को बड़ी संख्या में स्थिर चुंबकत्व वितरण की उपस्थिति के रूप में कहा जाता है, जिसे आसानी से एक दूसरे में भी परिवर्तित किया जा सकता है। इसलिए, विस्तारित फेरोमैग्नेट के गुणों को नियंत्रित करना मुश्किल है, क्योंकि इस तरह के शरीर की चुंबकीय स्थिति को ठीक करना मुश्किल है।

हालांकि, यह स्पष्ट है कि स्वतंत्रता की चुंबकीय डिग्री की संख्या शरीर की मात्रा कम होने के साथ तेजी से घट जाती है। वास्तव में, क्वांटम-मैकेनिकल एक्सचेंज इंटरैक्शन अंतरिक्ष में वेक्टर M® में केवल काफी चिकनी बदलाव की अनुमति देता है, तथाकथित विनिमय लंबाई लेक्स से अधिक की लंबाई पर। लोहे, कोबाल्ट, निकल और उनके मिश्र धातुओं जैसे अच्छे फेरोमैग्नेट्स में, विनिमय की लंबाई 20-30 नैनोमीटर के परिमाण के क्रम में होती है। यदि नैनोपार्टिकल डी की विशेषता आकार विनिमय लंबाई के क्रम से कम है, डी <लेक्स, तो इस तरह के एक कण के भीतर चुंबकीयकरण वेक्टर का उत्क्रमण ऊर्जावान प्रतिकूल है। एकल डोमेन, डीसी, [4] की विशेषता आकार की बात करना अधिक कठोर है, जो तथाकथित रूप से नरम फेरोमैग्नेट्स विनिमय लंबाई, डीसी ~ लेक्स के करीब है। एकल डोमेन के व्यास की तुलना में छोटे आकार के कण, D <Dc, समान रूप से चुंबकित होते हैं,अर्थात्, उनका चुंबकत्व वेक्टर निर्देशांक, M = const से स्वतंत्र है। ऐसे कणों को, सरलतम चुंबकीय संरचना के साथ, एकल-डोमेन कहा जाता है। एक एकल-डोमेन कण एक छोटा स्थायी प्राकृतिक चुंबक है जिसे गिराना लगभग असंभव है। यदि कण आकार एकल डोमेन, D> Dc के आकार से अधिक हो जाता है, तो अमानवीय चुंबकीयकरण वितरण, आमतौर पर भंवर प्रकार का, ऐसे कण में विकसित हो सकता है।आमतौर पर भंवर प्रकार।आमतौर पर भंवर प्रकार।

अंजीर। 1. डी = 36 एनएम (बाएं) के व्यास के साथ गोलाकार कोबाल्ट नैनोपार्टिकल में सजातीय चुंबकीयकरण की स्थिति और डी = 56 एनएम (दाएं) के व्यास के साथ एक ही नैनोपार्टिकल में एक अमानवीय भंवर राज्य, तीन आयामी कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके प्राप्त किया गया।

अंजीर में। चित्र 1 में विभिन्न संख्यात्मक व्यास के गोलाकार कोबाल्ट नैनोकणों में आधुनिक संख्यात्मक विधियों [5] द्वारा गणना किए गए चुंबकीयकरण के सजातीय और भंवर वितरण को दिखाया गया है। इन कणों में चुंबकत्व वेक्टर के तीन आयामी वितरण एक निश्चित लंबाई के तीर द्वारा इन आंकड़ों में दर्शाए गए हैं। एक गोलाकार कोबाल्ट नैनोपार्टिकल के एकल-डोमेन व्यास को निर्धारित करने के लिए, इन राज्यों के ऊर्जा आरेख की गणना करने की आवश्यकता है, जिसे अंजीर में योजनाबद्ध रूप से दिखाया गया है। 2।

अंजीर। 2. एक त्रिज्या के आधार पर एक नैनोकण के स्थिर चुंबकीय राज्यों की योजनाबद्ध ऊर्जा आरेख।

जैसा कि अंजीर से देखा जा सकता है। 2, कण (काली रेखा) की समान रूप से चुम्बकीय स्थिति की कुल विशिष्ट ऊर्जा कण की त्रिज्या पर निर्भर नहीं करती है, जबकि भंवर अवस्था (लाल वक्र) की कुल ऊर्जा तेजी से बढ़ती त्रिज्या के साथ घट जाती है। इन घटता का प्रतिच्छेदन बिंदु कण एसी = डीसी / 2 के एकल डोमेन के त्रिज्या को निर्धारित करता है। यदि कण त्रिज्या r <ac है, तो सजातीय राज्य में सबसे कम कुल ऊर्जा है, जबकि त्रिज्या की एक निश्चित सीमा में भंवर राज्य मेटास्टेबल के रूप में मौजूद हो सकता है, अर्थात स्थिर हो, लेकिन अधिक ऊर्जा हो। यदि आर> एसी, तो भंवर राज्य ऊर्जा में सबसे कम होगा। इस मामले में, एक सजातीय राज्य त्रिज्या एसी <आर <आरसी की सीमा में मेटास्टेबल के रूप में मौजूद हो सकता है, जहां आरसी सजातीय राज्य की स्थिरता त्रिज्या है।

अधिकांश तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए, एकल-डोमेन नैनोकणों के कलाकारों की टुकड़ी के साथ काम करना सुविधाजनक है, जिनके गुणों का अनुमान लगाया और नियंत्रित किया जा सकता है। सभी परिस्थितियों में, एक एकल-डोमेन नैनोपार्टिकल अपने पूर्ण चुंबकीय क्षण को बरकरार रखता है, जबकि एक भंवर राज्य में एक कण का औसत चुंबकीय क्षण छोटा हो सकता है, क्योंकि इस राज्य में चुंबकीय वैक्टर खुद को बंद कर लेते हैं। एक भंवर स्थिति में एक कण के लिए, चुंबकीय क्षण का औसत मूल्य काफी हद तक कण पर बाहरी चुंबकीय क्षेत्र अभिनय के परिमाण पर निर्भर करता है। आरेख चित्र से। चित्र 2 से पता चलता है कि यदि पहनावा में एकल डोमेन के त्रिज्या के पास नैनोकणों का आकार फैलाव है, तो वास्तव में इस तरह का पहनावा विभिन्न गुणों, एकल डोमेन और एकल डोमेन के साथ कणों का अनियंत्रित मिश्रण है। यदि आप अभी भी विचार करते हैंचूँकि एकल डोमेन के त्रिज्या का मान कण (गोले, लम्बी या तिरछी गोलाकार) के आकार पर निर्भर करता है, इसलिए प्रायोगिक स्थिति काफी भ्रामक हो जाती है।

हम देखते हैं कि चुंबकीय नैनोकणों का एक पहनावा एक जटिल जटिल भौतिक प्रणाली है जिसके गुण कई अलग-अलग कारकों द्वारा निर्धारित किए जाते हैं। ज्यादातर मामलों में (हालांकि हमेशा नहीं) कलाकारों की टुकड़ी में एक ही रासायनिक संरचना के नैनोकणों होते हैं। इसलिए, पहनावा के कणों को भौतिक चुंबकीय मापदंडों के एक सेट, यानी संतृप्ति चुंबकत्व सुश्री, चुंबकीय एनिसोट्रॉपी के प्रकार और चुंबकीय एनिसोट्रॉपी निरंतर K के मूल्य की विशेषता हो सकती है। मैग्नेटिक एनिसोट्रॉपी अंतरिक्ष में विशिष्ट दिशाओं (तथाकथित प्रकाश कुल्हाड़ियों) को निर्धारित करता है, जो अक्षतंतुओं के संबंध में अंतरिक्ष में होते हैं। एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति में, कण चुंबकीयकरण वेक्टर अनायास चुंबकीय क्रिस्टल के प्रकाश अक्षों के साथ उन्मुख होता है।लेकिन अकेले चुंबकीय मापदंडों को निर्दिष्ट करना नैनोकणों के एक समूह के पूर्ण लक्षण वर्णन के लिए पूरी तरह से अपर्याप्त है। आकार और आकार में नैनोकणों के वितरण को जानना आवश्यक है; नैनोकणों के अनिसोट्रॉपी के प्रकाश अक्षों की संख्या और अभिविन्यास (उन्मुख या गैर-उन्मुख पहनावा); अंतरिक्ष में नैनोकणों के केंद्रों का वितरण। उदाहरण के लिए, नैनोकणों के केंद्र समय-समय पर स्थित हो सकते हैं, कणों के बीच कुछ औसत दूरी के साथ एक निश्चित स्थानिक जाली, या यादृच्छिक पदों पर कब्जा कर सकते हैं।या कणों के बीच कुछ औसत दूरी के साथ यादृच्छिक पदों पर कब्जा।या कणों के बीच कुछ औसत दूरी के साथ यादृच्छिक पदों पर कब्जा।

ध्यान दें कि वास्तविक प्रयोगों में, एक नियम के रूप में, कणों के काफी घने ensembles का अध्ययन किया जाता है, जिनमें से गुण दुर्लभ ensembles के गुणों से काफी भिन्न होते हैं। कणों के घने संयोजन के गुणों का एक सैद्धांतिक अध्ययन, पहनावा के कणों के बीच चुंबकीय द्विध्रुवीय बातचीत की लंबी दूरी की प्रकृति से बाधित है। इस वजह से, एक एनसेंबल के लिए जिसमें एनपी कण होते हैं, एनपी 2 के कणों के युग्म युग्मों को ध्यान में रखना आवश्यक है, ताकि पहनावा में कणों की बढ़ती संख्या के साथ कम्प्यूटेशनल जटिलता तेजी से बढ़े।

इसके अलावा, जिस वातावरण में पहनावा स्थित है, उसका पहनावा के गुणों पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। हमें अपेक्षाकृत कम चिपचिपापन मीडिया के बीच अंतर करना चाहिए जिसमें बाहरी चुंबकीय क्षेत्र या पड़ोसी कणों के चुंबकीय द्विध्रुवीय अंतःक्रिया के प्रभाव में पहनावा के कण एक पूरे के रूप में घूम सकते हैं, और मीडिया जैसे कि एक ठोस मैट्रिक्स जिसमें नैनोकार्टिकल्स का एक पूरे के रूप में घूमना असंभव है। अंत में, परिवेश का तापमान पर्याप्त रूप से छोटे आकार (सुपरपरमैग्नेटिक नैनोपार्टिकल्स) के कणों के एक समूह के गुणों को प्रभावित कर सकता है। यदि माध्यम का तापमान नैनोकणों के चुंबकीय क्षणों को अवरुद्ध करने के तथाकथित तापमान से अधिक है, तो व्यक्तिगत कणों के चुंबकीय क्षणों के तापमान में उतार-चढ़ाव, पहनावा के औसत चुंबकीय क्षण को काफी कम कर देता है।

चलो तकनीकी अनुप्रयोगों पर चलते हैं। सिंगल-डोमेन मैग्नेटिक नैनोपार्टिकल के चुंबकीय क्षण में अनियेशियल मैग्नेटिक अनिसोट्रॉपी के साथ अंतरिक्ष में दो अलग-अलग दिशाएं होती हैं। पर्याप्त रूप से कम (उदाहरण के लिए, कमरे) तापमान पर, एक कण इन दो चुंबकीय राज्यों में से प्रत्येक में अनिश्चित काल तक रह सकता है। इस प्रकार, यह अधिग्रहित चुंबकीय स्थिति की स्मृति को बरकरार रखता है, जिसका अर्थ है कि यह पर्याप्त रूप से लंबे समय तक नुकसान के बिना जानकारी संग्रहीत कर सकता है। यदि हम मनमाने ढंग से कण के चुंबकीय क्षण की दिशा के लिए "0" मान देते हैं, और मान "1" चुंबकीय क्षण की दिशा में, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 3 बचे हैं, तो शून्य के एक अनुक्रम से कुछ बाइनरी टेक्स्ट और नैनोकणों के एक कलाकारों की टुकड़ी के विशेष रूप से तैयार चुंबकीय स्थिति में संग्रहीत किए जा सकते हैं। वर्तमान में, चुंबकीय रिकॉर्डिंग की प्रक्रिया में, एक बिट की जानकारी दर्ज नहीं की जाती है,और 20-40 बारीकी से फैले चुंबकीय नैनोकणों के पूरे संग्रह के लिए। "एक बिट - एक कण" के सिद्धांत पर रिकॉर्डिंग करने के लिए संक्रमण काफी जानकारी के चुंबकीय रिकॉर्डिंग के घनत्व में वृद्धि करेगा।
हालांकि, इस दिलचस्प विचार को महसूस करने के लिए आवश्यक तकनीकी कठिनाइयों को दूर किया जाना चाहिए। सबसे पहले, पहनावा के कणों को काफी समान और समय-समय पर विमान में स्थित होना चाहिए, नैनोपार्टिकल के आकार के आदेश के एक जाली अवधि के साथ। यह और भी आश्चर्यजनक है कि केमिस्ट्स ने हाल ही में चुंबकीय नैनोकणों के समान, लगभग आदर्श रूप से आवधिक संरचनाओं का निर्माण करना सीखा है, जो कि रासायनिक प्रतिक्रिया के दौरान उनके विकास के दौरान कणों के आत्म-संगठन का उपयोग करते हैं, (चित्र 3, सही देखें)।

अंजीर। 3. दो चुंबकीय राज्यों (बाएं) और रासायनिक आत्म-विधानसभा विधि द्वारा प्राप्त FePt चुंबकीय नैनोकणों की आवधिक संरचना के साथ व्यक्तिगत चुंबकीय नैनोकणों पर जानकारी के सुपर-घने चुंबकीय रिकॉर्डिंग का सिद्धांत।

हालांकि, जानकारी के अति-घने रिकॉर्डिंग के विचार को लागू करने के लिए, कलाकारों की टुकड़ी की सही ज्यामितीय संरचना को लागू करने के अलावा, संश्लेषित नैनोकणों के चुंबकीय अनिसोट्रॉपी निरंतर के एक पर्याप्त बड़े मूल्य को सुनिश्चित करना आवश्यक है। सिद्धांत रूप में, एक नियमित रूप से क्रिस्टल संरचना के साथ FePt कण, जिसमें लोहे के परमाणुओं के विमानों को नियमित रूप से प्लैटिनम परमाणुओं के विमानों के साथ वैकल्पिक किया जाता है, चुंबकीय अनिसोट्रॉपी स्थिरांक का उच्च रिकॉर्ड मूल्य है, K = 5 * 107 erg / cm3, [7] यह कण के दौरान चुंबकीय स्थिति की स्थिरता बनाए रखने की अनुमति देता है। समय और पर्याप्त रूप से छोटे व्यास के कणों के लिए।

दरअसल, आसान चुंबकीयकरण की दो दिशाओं के बीच एक कण के चुंबकीय क्षण को स्थानांतरित करने के लिए, ऊंचाई की ऊर्जा बाधा को दूर करना आवश्यक है

जहां V नैनोकणों का आयतन है। पर्याप्त रूप से लंबे समय (10 वर्ष) के लिए थर्मल उतार-चढ़ाव के कारण सहज टोक़ हस्तांतरण को रोकने के लिए, सख्त स्थिति केवी (50 - 70) kBT, [7] को पूरा करना आवश्यक है, जहां टी परिवेश का तापमान है, केबी बोल्ट्जमान स्थिरांक है। कण व्यास में कमी के साथ, ऊर्जा अवरोध तेजी से गिरता है, लेकिन कण के चुंबकीय अनिसोट्रॉपी निरंतर का बड़ा मूल्य नैनोमीटर आकार के कणों के लिए संकेतित असमानता को बनाए रखने की अनुमति देता है। दुर्भाग्य से, आत्म-विधानसभा [6] द्वारा उगाए गए FePt कण एक गलत-उन्मुख चुंबकीय स्थिति में होते हैं, जब क्रिस्टल जाली में लोहे और प्लेटिनम परमाणु मनमाना पदों पर कब्जा कर लेते हैं। और इस मामले में, पदार्थ की चुंबकीय अनिसोट्रॉपी का स्थिरांक छोटा है, निर्दिष्ट ऑक्टोप मूल्य से कम परिमाण के कई आदेश।एनेलिंग और अन्य तरीकों का उपयोग करके एक ऑर्डर किए गए चुंबकीय राज्य में FePt कणों को स्थानांतरित करने के काफी प्रयासों के बावजूद, यह मूलभूत समस्या अभी तक हल नहीं हुई है। सामान्य तौर पर, अपने चुंबकीय क्षणों की चुंबकीय स्थिति पर छोटे चुंबकीय कणों के तापमान में उतार-चढ़ाव के प्रभाव की समस्या को सुपरपरामैग्नेटिक सीमा [7] के रूप में जाना जाता है, और अभी भी हल होने की प्रतीक्षा है।

इस प्रकार, कणों के चुंबकीय क्षणों के तापमान में उतार-चढ़ाव सुपरडेंस सूचना रिकॉर्डिंग के चुंबकीय वाहक बनाने में महत्वपूर्ण कठिनाइयों का कारण बनता है। उसी समय, वे चुंबकीय नैनोकणों के दिलचस्प बायोमेडिकल अनुप्रयोगों में से एक के विकास के लिए बहुत उपयोगी साबित होते हैं, अर्थात्, चुंबकीय अतिताप की विधि, खतरनाक ऑन्कोलॉजिकल रोगों के उपचार के लिए अभिप्रेत है। यह प्रायोगिक रूप से सिद्ध [8] था जो प्रभावित अंग के तापमान को लगभग 42 ° C पर 20 से 30 मिनट तक बनाए रखता था। सामान्य ऊतकों की तुलना में उच्च तापमान के लिए अतिसंवेदनशील, कैंसर कोशिकाओं के परिगलन की ओर जाता है। कई फेरोमैग्नेटिक सामग्रियां बाहरी वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र की ऊर्जा को अवशोषित करने में सक्षम हैं और जिससे आसपास के ऊतक को गर्मी मिलती है। हालाँकि, चुंबकीय नैनोकणों में चुंबकीय अतिताप के लिए महत्वपूर्ण फायदे हैं, क्योंकि:क) सुपरपैरामैग्नेटिक नैनोपार्टिकल्स के असेम्बल विशिष्ट ऊर्जा अवशोषण के अत्यंत बड़े मान प्रदान करने में सक्षम होते हैं, जो पदार्थ के प्रति ग्राम १ किलोवाट के क्रम के होते हैं; b) उनके छोटे आकार के कारण, नैनोकण जैविक पदार्थों में गहराई से प्रवेश कर सकते हैं; ग) लोहे के आक्साइड के नैनोपार्टिकल्स जीवित जीव के लिए गैर विषैले या थोड़े जहरीले होते हैं, घ) उनके शरीर से कम अवधि होती है।

जैसा कि हमने ऊपर देखा, एक चुंबकीय नैनोपार्टिकल एक बहुत ही मजबूत प्राकृतिक चुंबक है, क्योंकि चुम्बकीयकरण के विशिष्ट क्षेत्र में भी एक चुंबकीय रूप से नरम लोहे के ऑक्साइड कण कमरे के तापमान पर काफी बड़े होते हैं, Hc (0) ~ 2K / Ms ~ 400 ° E महत्वपूर्ण है, हालाँकि, वह ऊर्जा चुंबकीय क्षमता के कुओं को अलग करने वाले अवरोध

कण की मात्रा, वी ~ आर 3 के साथ घट जाती है, और इसकी विशेषता थर्मल ऊर्जा केबीटी के साथ की जा सकती है। इस मामले में, चुंबकीय क्षण के थर्मल उतार-चढ़ाव के कारण, कण अपने औसत निरंतर चुंबकीयकरण को खो देता है और सुपरपैरामैग्नेटिक बन जाता है। किसी दिए गए संभावित कुएं (नील विश्राम समय) में चुंबकीय क्षण की विशेषता निवास समय के रूप में अनुमानित है

, जहां स्थिर है

[9]। विश्राम का समय घटते हुए कण व्यास के साथ तेजी से घटता है। जैसे ही

यह चुंबकीय क्षण की माप के विशिष्ट समय से कम या अधिक के क्रम पर हो जाता

है, कण का समय- लाभ चुंबकीय क्षण शून्य के बराबर होता है।

लेकिन सुपरपरमग्नेटिज्म की घटना का सकारात्मक पक्ष है। थर्मल उतार-चढ़ाव, संभावित कुएं में कणों के चुंबकीय क्षण को झूलते हुए, ऊर्जा बाधा को प्रभावी ढंग से कम करते हैं और कण के चुंबकीयकरण उलट क्षेत्र के परिमाण को काफी कम करते हैं। इसलिए, सुपरपरामैग्नेटिक कणों का एक पहनावा मध्यम आयाम, H0 ~ 100 - 200 Oe के बाहरी चर चुंबकीय क्षेत्र में चुंबक करने में सक्षम है, जो चुंबकीय अतिताप के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र बनाने के लिए शर्तों को सरल करता है और आवश्यक उपकरणों की लागत को कम करता है।

जैसा कि ऊष्मप्रवैगिकी [1, 2] से जाना जाता है, एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र की ऊर्जा के अवशोषण की तीव्रता चुंबकीय नैनोकणों के एक समूह के हिस्टैरिसीस लूप के क्षेत्र के लिए आनुपातिक है। हमारे समूह में, विभिन्न प्रकारों के चुंबकीय नैनोकणों के दुर्लभ आवृत्ति के कम आवृत्ति वाले हिस्टैरिसीस छोरों की सैद्धांतिक गणना [10, 11] के साथ-साथ मूल विधि [12, 13] द्वारा किए गए संबंधित प्रायोगिक मापों का प्रदर्शन किया गया था। सैद्धांतिक गणना ने एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र की आवृत्ति पर हिस्टैरिसीस लूप्स की एक महत्वपूर्ण निर्भरता को दिखाया जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 4।

अंजीर। 4. चुंबकीय नैनोकणों एक वैकल्पिक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की ऊर्जा को दूर से प्रभावी ढंग से अवशोषित करने में सक्षम हैं, और जिससे पर्यावरण को गर्मी मिलती है। हालांकि, यह क्षमता काफी जोखिम की आवृत्ति, और कई अन्य भौतिक मापदंडों पर निर्भर करती है।

एक सैद्धांतिक विश्लेषण [10] (चित्र 5 देखें) से पता चलता है कि सुपरपारैग्नेटिक पहनावा का हिस्टैरिसीस लूप भी बहुत दृढ़ता से औसत कण व्यास पर निर्भर करता है यदि कण आस-पास के गैर-चुंबकीय माध्यम में निश्चित रूप से तय किए जाते हैं। हाल के कई प्रयोगों में इस महत्वपूर्ण तथ्य की पुष्टि की गई थी, हालांकि एक ही समय में कई अन्य कारकों पर विशिष्ट ऊर्जा अवशोषण की एक महत्वपूर्ण निर्भरता का प्रदर्शन किया गया था, जैसे कि चुंबकीय नैनोकणों के घने नमूनों में चुंबकीय द्विध्रुवीय अंतःक्रिया का प्रभाव [12, 13]।

अंजीर। 5. कण व्यास के आधार पर कोबाल्ट नैनोपार्टिकल्स (f = 500 kHz, H = 200 Oe) और मैग्नेटाइट (f = 400 kHz, H = 120 Oe) के विरल असेम्बली द्वारा एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र की ऊर्जा के विशिष्ट अवशोषण की सैद्धांतिक गणना []।

चुंबकीय अतिताप, एक स्थानीय और दूरस्थ जोखिम होने के नाते, जाहिर तौर पर कीमो- या रेडियोथेरेपी [8] जैसे गंभीर दुष्प्रभाव नहीं होते हैं। ऐसा लगता है कि चुंबकीय अतिताप का सफल विकास कई समस्याओं के सफल समाधान पर निर्भर करेगा। सबसे पहले, मध्यम आयाम के एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र में पर्याप्त रूप से बड़े विशिष्ट ऊर्जा अवशोषण के साथ नैनोकणों की टुकड़ी तैयार करने के लिए तरीकों में सुधार करना आवश्यक है। यह नैनोकणों की खुराक को कम करेगा, एक सकारात्मक चिकित्सीय प्रभाव को प्राप्त करने के लिए पर्याप्त होगा। आदर्श रूप से, यह सीखने के लिए वांछनीय होगा कि प्रारंभिक चरण में छोटे, बहुत खतरनाक नियोप्लाज्म को दबाने के लिए स्थानीय स्तर पर स्थानीय रूप से ऊतक की छोटी मात्रा को कैसे गर्म किया जाए। इसके अलावा, पर्याप्त आयाम के एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र के निर्माण को सुनिश्चित करना आवश्यक है,शरीर के दिए गए क्षेत्र में आवश्यक स्थानिक वितरण के साथ, ऊर्जा के लिए उचित लागत पर, बिजली के झटके के खिलाफ सुरक्षा की गारंटी, मध्यम लागत। अंत में, यह सीखना आवश्यक है कि प्रभाव को कैसे नियंत्रित किया जाए, चुंबकीय क्षेत्र के आयाम और आवृत्ति, नैनोकणों के चुंबकीय और ज्यामितीय मापदंडों का चयन, समय और एक्सपोज़र की आवृत्ति, माध्यम के इलेक्ट्रोडायनामिक और थर्मल मापदंडों को ध्यान में रखते हुए। प्रभावित क्षेत्र में तापमान के स्थानिक और लौकिक वितरण को नियंत्रित करना भी बेहद वांछनीय है। वर्तमान में, ये समस्याएं विभिन्न प्रोफाइल के शोधकर्ताओं के ध्यान के केंद्र में हैं।नैनोकणों के चुंबकीय और ज्यामितीय मापदंडों, समय और एक्सपोज़र की आवृत्ति, माध्यम के इलेक्ट्रोडायनामिक और थर्मल मापदंडों को ध्यान में रखते हुए। प्रभावित क्षेत्र में तापमान के स्थानिक और लौकिक वितरण को नियंत्रित करना भी बेहद वांछनीय है। वर्तमान में, ये समस्याएं विभिन्न प्रोफाइल के शोधकर्ताओं के ध्यान के केंद्र में हैं।नैनोकणों के चुंबकीय और ज्यामितीय मापदंडों, समय और एक्सपोज़र की आवृत्ति, माध्यम के इलेक्ट्रोडायनामिक और थर्मल मापदंडों को ध्यान में रखते हुए। प्रभावित क्षेत्र में तापमान के स्थानिक और लौकिक वितरण को नियंत्रित करना भी बेहद वांछनीय है। वर्तमान में, ये समस्याएं विभिन्न प्रोफाइल के शोधकर्ताओं के ध्यान के केंद्र में हैं।

[1] . . , (, , 1985).
[2] .. , (, , 1972).
[3] L. Landau and E. Lifshitz, Phys. Z. Sowjetunion 8, 153 (1935).
[4] W.F. Brown, Jr., Micromagnetics (Wiley-Interscience, New York — London, 1963)
[5] N.A. Usov and J.W. Tucker. Material Science Forum 373-376, 429 (2001).
[6] S. Sun, C. B. Murray, D. Weller, L. Folks, and A. Moser, Science 287, 1989 (2000).
[7] D. Weller and A. Moser, IEEE Trans. Magn. 35, 4423 (1999).
[8] Q.A. Pankhurst, N.K.T. Thanh, S.K. Jones, J. Dobson, J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 224001 (2009).
[9] W.F. Brown, Jr., Phys. Rev. 130, 1677 (1963).
[10] N. A. Usov, J. Appl. Phys. 107, 123909 (2010).
[11] N.A. Usov, B.Ya. Liubimov, J. Appl. Phys. 112, 023901 (2012).
[12] S. A. Gudoshnikov, B. Ya. Liubimov, and N. A. Usov, AIP Advances 2, 012143 (2012)
[13] S.A. Gudoshnikov, B.Ya. Liubimov, A.V. Popova, N.A. Usov. J. Magn. Magn. Mater. 324, 3690 (2012)

विशेषज्ञ की राय: चुंबकीय नैनोकण: सिद्धांत और आधुनिक तकनीकी अनुप्रयोग

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