Alsof het bubbels zijn die uitzetten in een zojuist geopende fles champagne, kleine cirkelvormige gebieden van magnetisme kunnen snel worden vergroot om een ​​nauwkeurige methode te bieden voor het meten van de magnetische eigenschappen van nanodeeltjes.

De techniek, ontkurkt door onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun medewerkers, geeft een dieper inzicht in het magnetische gedrag van nanodeeltjes. Omdat de methode snel is, economisch en vereist geen speciale voorwaarden - metingen kunnen plaatsvinden bij kamertemperatuur en onder atmosferische druk, of zelfs in vloeistoffen - het biedt fabrikanten een praktische manier om hun controle over de eigenschappen van magnetische nanodeeltjes te meten en te verbeteren voor tal van medische en milieutoepassingen.

Magnetische nanodeeltjes kunnen dienen als kleine actuatoren, magnetisch duwen en trekken van andere kleine voorwerpen. Vertrouwend op deze eigenschap, wetenschappers hebben de nanodeeltjes gebruikt om chemische lekkages op te ruimen en nanorobotsystemen te assembleren en te bedienen. Magnetische nanodeeltjes hebben zelfs het potentieel om kanker te behandelen - het snel omkeren van het magnetische veld van nanodeeltjes die in een tumor worden geïnjecteerd, genereert voldoende warmte om kankercellen te doden.

Individuele magnetische nanodeeltjes wekken magnetische velden op, zoals de noord- en zuidpool van bekende staafmagneten. Deze velden creëren magnetische bellen - platte cirkels met initiële diameters van minder dan 100 nanometer (miljardste van een meter) - op het oppervlak van een magnetisch gevoelige film die is ontwikkeld door NIST. De bellen omringen de nanodeeltjespool die tegengesteld aan de richting van het magnetische veld van de film wijst. Hoewel ze informatie coderen over de magnetische oriëntatie van de nanodeeltjes, de kleine belletjes zijn niet gemakkelijk te detecteren met een optische microscoop.

Echter, als bubbels in champagne, de magnetische bellen kunnen worden uitgebreid tot honderden keren hun oorspronkelijke diameter. Door een klein extern magnetisch veld aan te leggen, het team vergrootte de diameter van de bellen tot tientallen micrometers (miljoensten van een meter) - groot genoeg om te zien met een optische microscoop. Het helderdere signaal van de vergrote bubbels onthulde snel de magnetische oriëntatie van individuele nanodeeltjes.

Na het bepalen van de initiële magnetische oriëntatie van de nanodeeltjes, de onderzoekers gebruikten de vergrote bubbels om de veranderingen in die oriëntatie te volgen terwijl ze een extern magnetisch veld aanbrachten. Het opnemen van de sterkte van het externe veld dat nodig is om de magnetische noord- en zuidpolen van de nanodeeltjes om te draaien, onthulde de grootte van het coërcitiefveld, een fundamentele maatstaf voor de magnetische stabiliteit van de nanodeeltjes. Deze belangrijke eigenschap was voorheen een uitdaging om te meten voor individuele nanodeeltjes.

Samuel M. Stavis van NIST en Andrew L. Balk, die het grootste deel van zijn onderzoek deed in het Los Alamos National Laboratory en NIST, samen met collega's van NIST en de Johns Hopkins University, beschreven hun bevindingen in een recent nummer van Fysieke beoordeling toegepast .

Het team onderzocht twee soorten magnetische nanodeeltjes:staafvormige deeltjes gemaakt van een nikkel-ijzerlegering en onregelmatig gevormde deeltjesclusters gemaakt van ijzeroxide. Het toegepaste magnetische veld dat de bubbels uitbreidde, speelt een vergelijkbare rol als dat van de druk in een fles champagne, zei Balk. Onder hoge druk, als de champagnefles is gekurkt, de bubbels zijn in wezen niet aanwezig, net zoals de magnetische bellen op de film te klein zijn om te worden gedetecteerd door een optische microscoop wanneer er geen extern magnetisch veld wordt aangelegd. Wanneer de kurk wordt gepoft en de druk wordt verlaagd, de champagnebellen zetten uit, net zoals het externe magnetische veld de magnetische bellen vergroot.

Elke magnetische bel onthult de oriëntatie van het magnetische veld van een nanodeeltje op het moment dat de bel werd gevormd. Om te bestuderen hoe de oriëntatie met de tijd varieerde, de onderzoekers genereerden elke seconde duizenden nieuwe bubbels. Op deze manier, de onderzoekers maten veranderingen in de magnetische oriëntatie van de nanodeeltjes op het moment dat ze zich voordeden.

Om de gevoeligheid van de techniek te vergroten, de onderzoekers stemden de magnetische eigenschappen van de film af. Vooral, het team heeft de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) interactie aangepast, een kwantummechanisch fenomeen dat een draaiing in de bellen in de film oplegt. Deze draaiing verminderde de energie die nodig was om een ​​bel te vormen, de hoge gevoeligheid die nodig is om het veld van de kleinste magnetische deeltjes in het onderzoek te meten.

Andere methoden om magnetische nanodeeltjes te meten, die moeten worden gekoeld met vloeibare stikstof, werken in een vacuümkamer, of het meten van het veld op slechts een enkele locatie, een dergelijke snelle bepaling van magnetische velden op nanoschaal niet toestaan. Met de nieuwe techniek, het team bracht de magnetische velden van de deeltjes snel in beeld over een groot gebied bij kamertemperatuur. De verbetering van de snelheid, gemak en flexibiliteit maken nieuwe experimenten mogelijk waarin onderzoekers het gedrag van magnetische nanodeeltjes in realtime kunnen volgen, zoals tijdens de montage en het gebruik van magnetische microsystemen met veel onderdelen.

De studie is het meest recente voorbeeld van een voortdurende inspanning bij NIST om apparaten te maken die de meetmogelijkheden van optische microscopen verbeteren, een instrument beschikbaar in de meeste laboratoria, zei Stavis. Dit maakt een snelle meting van de eigenschappen van afzonderlijke nanodeeltjes mogelijk voor zowel fundamenteel onderzoek als voor de fabricage van nanodeeltjes, hij voegde toe.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.