När vi försöker lösa ett mysterium om järnoxidbaserade nanopartiklar, ett forskarlag som arbetade vid National Institute of Standards and Technology snubblade över en annan. Men när man väl förstår dess konsekvenser, deras upptäckt* kan ge nanoteknologer ett nytt och användbart verktyg.

Nanopartiklarna i fråga är sfärer av magnetit så små att några tusen av dem i rad skulle sträcka ut ett hårstrå, och de har potentiella användningsområden både som grund för bättre datalagringssystem och i biologiska tillämpningar som hypertermibehandling för cancer. En nyckel till alla dessa tillämpningar är en fullständig förståelse för hur ett stort antal av partiklarna interagerar magnetiskt med varandra över relativt stora avstånd så att forskare kan manipulera dem med magnetism.

"Det har varit känt under lång tid att en stor del av magnetit har ett större magnetiskt "ögonblick" - tänk på det som magnetisk styrka - än en ekvivalent massa av nanopartiklar, säger Kathryn Krycka, en forskare vid NIST Center for Neutron Research. "Ingen vet riktigt varför, fastän. Vi bestämde oss för att undersöka partiklarna med strålar av lågenergineutroner, som kan berätta mycket om ett materials inre struktur."

Teamet applicerade ett magnetfält på nanokristaller bestående av 9 nm breda partiklar, gjort av medarbetare vid Carnegie Mellon University. Fältet fick partiklarna att rada upp sig som järnspån på ett papper som hölls ovanför en stångmagnet. Men när teamet tittade närmare med neutronstrålen, vad de såg avslöjade en komplexitetsnivå som aldrig setts förut.

"När fältet tillämpas, den inre 7 nm breda "kärnan" orienterar sig längs fältets nord- och sydpol, precis som stora järnspån, " säger Krycka. "Men det yttre 1 nm "skalet" av varje nanopartikel beter sig annorlunda. Det utvecklar också ett ögonblick, men pekade i rät vinkel mot kärnans."

I ett ord, bisarr. Men potentiellt användbar.

Skalen är inte fysiskt annorlunda än interiören; utan magnetfält, distinktionen försvinner. Men när den väl bildades, skalen av närliggande partiklar verkar ta hänsyn till varandra:En lokal grupp av dem kommer att ha sina skalögonblick uppradade åt ett håll, men då kommer en annan grupps skal peka någon annanstans. Detta fynd får Krycka och hennes team att tro att det finns mer att lära om den roll som partikelinteraktion har för att bestämma inre, magnetisk nanopartikelstruktur — kanske något nanoteknologer kan utnyttja.

"Effekten förändrar i grunden hur partiklarna skulle prata med varandra i en datalagringsinställning, " säger Krycka. "Om vi ​​kan kontrollera det - genom att variera deras temperatur, till exempel, som våra resultat antyder att vi kan – vi kanske kan slå på och av effekten, som kan vara användbart i verkliga applikationer."