Một cách mới tuyệt vời để phát hiện từ trường của các hạt có kích thước Nanomet

Kỹ thuật này, được mở ra bởi các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) và các cộng tác viên của họ, cung cấp một sự hiểu biết sâu sắc hơn về hành vi từ tính của các hạt nano. Bởi vì phương pháp này nhanh, tiết kiệm và không cần điều kiện đặc biệt – các phép đo có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng và dưới áp suất khí quyển, hoặc thậm chí trong chất lỏng – nó cung cấp cho các nhà sản xuất một cách thực tế để đo lường và cải thiện khả năng kiểm soát các tính chất của từ tính hạt nano cho một loạt các ứng dụng y tế và môi trường.

Các hạt nano từ tính có thể đóng vai trò là bộ truyền động nhỏ, đẩy từ tính và kéo các vật nhỏ khác. Dựa vào tính chất này, các nhà khoa học đã sử dụng các hạt nano để làm sạch các sự cố tràn hóa chất và lắp ráp và vận hành các hệ thống nano. Các hạt nano từ tính thậm chí còn có khả năng điều trị ung thư – đảo ngược nhanh chóng từ trường của các hạt nano được tiêm vào khối u tạo ra đủ nhiệt để tiêu diệt các tế bào ung thư.

Các hạt nano từ tính riêng lẻ tạo ra các từ trường như các cực nam và cực nam của thanh nam châm quen thuộc. Các trường này tạo ra bong bóng từ tính – các vòng tròn phẳng có đường kính ban đầu nhỏ hơn 100 nanomet (một phần tỷ mét) – trên bề mặt của một màng nhạy cảm từ tính được phát triển tại NIST. Các bong bóng bao quanh cực nano có điểm đối diện với hướng của từ trường của màng. Mặc dù chúng mã hóa thông tin về hướng từ của các hạt nano, các bong bóng nhỏ không dễ dàng phát hiện bằng kính hiển vi quang học.

Tuy nhiên, giống như bong bóng trong rượu sâm banh, bong bóng từ tính có thể được mở rộng gấp hàng trăm lần đường kính ban đầu của chúng. Bằng cách áp dụng một từ trường bên ngoài nhỏ, nhóm nghiên cứu đã mở rộng đường kính của bong bóng lên hàng chục micromet (một phần triệu mét) – đủ lớn để nhìn bằng kính hiển vi quang học. Tín hiệu sáng hơn của các bong bóng mở rộng nhanh chóng tiết lộ hướng từ tính của từng hạt nano.

Sau khi xác định hướng từ tính ban đầu của các hạt nano, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các bong bóng mở rộng để theo dõi những thay đổi trong hướng đó khi chúng áp dụng một từ trường bên ngoài. Ghi lại cường độ của trường bên ngoài cần thiết để lật các cực từ bắc và nam của các hạt nano cho thấy cường độ của trường cưỡng chế, một thước đo cơ bản cho sự ổn định từ tính của các hạt nano. Tính chất quan trọng này trước đây đã được thử thách để đo cho từng hạt nano.

Samuel M. Stavis của NIST và Andrew L. Balk, người đã thực hiện hầu hết nghiên cứu của mình tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Angelesos và NIST, cùng với các đồng nghiệp tại NIST và Đại học Johns Hopkins, đã mô tả những phát hiện của họ trong một vấn đề gần đây về Đánh giá vật lý .

Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra hai loại hạt nano từ tính – các hạt hình que làm bằng hợp kim sắt-niken và các cụm hạt có hình dạng không đều làm từ oxit sắt. Từ trường ứng dụng mở rộng các bong bóng đóng vai trò tương tự như áp suất trong một chai rượu sâm banh, Balk nói. Dưới áp suất cao, khi chai sâm banh bị chai, các bong bóng về cơ bản là không tồn tại, giống như các bong bóng từ tính trên phim quá nhỏ để có thể phát hiện bằng kính hiển vi quang học khi không sử dụng từ trường bên ngoài. Khi nút chai được bật lên và áp suất được hạ xuống, bong bóng rượu sâm banh mở rộng, giống như từ trường bên ngoài mở rộng các bong bóng từ tính.

Mỗi bong bóng từ tính cho thấy sự định hướng của từ trường của hạt nano tại thời điểm bong bóng hình thành. Để nghiên cứu cách định hướng thay đổi theo thời gian, các nhà nghiên cứu đã tạo ra hàng ngàn bong bóng mới mỗi giây. Bằng cách này, các nhà nghiên cứu đã đo được sự thay đổi trong hướng từ tính của các hạt nano tại thời điểm chúng xảy ra.

Để tăng cường độ nhạy của kỹ thuật, các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh các thuộc tính từ tính của màng. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh tương tác Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), một hiện tượng cơ học lượng tử áp đặt một vòng xoắn trong bong bóng trong phim. Vòng xoắn này làm giảm năng lượng cần thiết để tạo thành bong bóng, cung cấp độ nhạy cao cần thiết để đo trường của các hạt từ tính nhỏ nhất trong nghiên cứu.

Các phương pháp khác để đo hạt nano từ tính, cần làm mát bằng nitơ lỏng, làm việc trong buồng chân không hoặc đo trường tại một vị trí duy nhất, không cho phép xác định từ trường nano nhanh như vậy. Với kỹ thuật mới, nhóm nghiên cứu đã nhanh chóng chụp được từ trường từ các hạt trên một khu vực rộng lớn ở nhiệt độ phòng. Sự cải thiện về tốc độ, sự thuận tiện và tính linh hoạt cho phép các thí nghiệm mới trong đó các nhà nghiên cứu có thể theo dõi hoạt động của các hạt nano từ tính trong thời gian thực, chẳng hạn như trong quá trình lắp ráp và vận hành các hệ thống vi mô từ tính với nhiều bộ phận.

Nghiên cứu này là ví dụ gần đây nhất về nỗ lực không ngừng tại NIST để chế tạo các thiết bị cải thiện khả năng đo của kính hiển vi quang học, một thiết bị có sẵn trong hầu hết các phòng thí nghiệm. Điều này cho phép đo nhanh các tính chất của các hạt nano đơn cho cả nghiên cứu cơ bản và sản xuất hạt nano.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Andrew L. Balk, Ian Gilbert, Robert Ivkov, John Unguris, Samuel M. Stavis. Từ tính bong bóng của sự không đồng nhất hạt nano và tương tác . Đánh giá vật lý áp dụng , 2019; 11 (6) DOI: 10.1103 / PhysRevApplied.11,061003