Som om de var bubblor som expanderade i en just öppnad flaska champagne, små cirkulära områden av magnetism kan snabbt förstoras för att ge en exakt metod för att mäta de magnetiska egenskaperna hos nanopartiklar.
Tekniken, okorkade av forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras medarbetare, ger en djupare förståelse av nanopartiklarnas magnetiska beteende. Eftersom metoden är snabb, ekonomisk och kräver inga speciella förhållanden - mätningar kan ske vid rumstemperatur och under atmosfärstryck, eller till och med i vätskor - det ger tillverkarna ett praktiskt sätt att mäta och förbättra sin kontroll över egenskaperna hos magnetiska nanopartiklar för en mängd medicinska och miljömässiga tillämpningar.
Magnetiska nanopartiklar kan fungera som små ställdon, magnetiskt trycka och dra andra små föremål. Lita på den här egenskapen, forskare har använt nanopartiklarna för att rensa upp kemiska spill och montera och driva nanorobotiska system. Magnetiska nanopartiklar har till och med potential att behandla cancer - att snabbt vända magnetfältet hos nanopartiklar som injiceras i en tumör genererar tillräckligt med värme för att döda cancerceller.
Individuella magnetiska nanopartiklar genererar magnetfält som nord- och sydpolen hos välkända stångmagneter. Dessa fält skapar magnetiska bubblor - platta cirklar med initiala diametrar mindre än 100 nanometer (miljardelar av en meter) - på ytan av en magnetiskt känslig film som utvecklats vid NIST. Bubblorna omger nanopartikelpolen som pekar motsatt riktningen för filmens magnetfält. Även om de kodar information om nanopartiklarnas magnetiska orientering, de små bubblorna upptäcks inte lätt med ett optiskt mikroskop.
Dock, som bubblor i champagne, magnetbubblorna kan expanderas till hundratals gånger sin ursprungliga diameter. Genom att applicera ett litet externt magnetfält, laget förstorade bubblornas diameter till tiotals mikrometer (miljondelar av en meter) - tillräckligt stor för att se med ett optiskt mikroskop. Den ljusare signalen från de förstorade bubblorna avslöjade snabbt den magnetiska orienteringen av enskilda nanopartiklar.
Efter att ha bestämt nanopartiklarnas initiala magnetiska orientering, forskarna använde de förstorade bubblorna för att spåra förändringarna i den riktningen när de applicerade ett externt magnetfält. Att registrera styrkan hos det yttre fältet som krävs för att vända nanopartiklarnas norr- och södra magnetpoler avslöjade storleken på tvångsfältet, ett grundläggande mått på nanopartiklarnas magnetiska stabilitet. Denna viktiga egenskap hade tidigare varit utmanande att mäta för enskilda nanopartiklar.
Samuel M. Stavis från NIST och Andrew L. Balk, som genomförde större delen av sin forskning vid Los Alamos National Laboratory och NIST, tillsammans med kollegor vid NIST och Johns Hopkins University, beskrev sina fynd i ett nyligen utgåva av Fysisk granskning tillämpad .
Teamet undersökte två typer av magnetiska nanopartiklar-stavformade partiklar gjorda av nickel-järnlegering och oregelbundet formade partikelkluster av järnoxid. Det applicerade magnetfältet som expanderade bubblorna spelar en liknande roll som trycket i en flaska champagne, Sa Balk. Under högt tryck, när champagneflasken är korkad, bubblorna är i huvudsak obefintliga, precis som de magnetiska bubblorna på filmen är för små för att detekteras av ett optiskt mikroskop när inget externt magnetfält appliceras. När korken poppar och trycket sänks, champagnebubblorna expanderar, precis som det yttre magnetfältet förstorade magnetbubblorna.
Varje magnetbubbla avslöjar orienteringen av magnetfältet i en nanopartikel i det ögonblick som bubblan bildades. För att studera hur orienteringen varierade med tiden, forskarna genererade tusentals nya bubblor varje sekund. På det här sättet, forskarna mätte förändringar i nanopartiklarnas magnetiska orientering i det ögonblick som de inträffade.
För att öka teknikens känslighet, forskarna ställde in filmens magnetiska egenskaper. Särskilt, laget justerade Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) interaktion, ett kvantmekaniskt fenomen som åstadkommer en vridning i bubblorna i filmen. Denna vridning minskade energin som behövs för att bilda en bubbla, ger den höga känslighet som är nödvändig för att mäta fältet för de minsta magnetiska partiklarna i studien.
Andra metoder för att mäta magnetiska nanopartiklar, som kräver kylning med flytande kväve, arbetar i en vakuumkammare, eller mäta fältet på bara en enda plats, tillåter inte en sådan snabb bestämning av magnetfält i nanoskala. Med den nya tekniken, laget avbildade snabbt magnetfälten från partiklarna över ett stort område vid rumstemperatur. Förbättringen i hastighet, bekvämlighet och flexibilitet möjliggör nya experiment där forskare kan övervaka beteendet hos magnetiska nanopartiklar i realtid, såsom under montering och drift av magnetiska mikrosystem med många delar.
Studien är det senaste exemplet på en pågående ansträngning vid NIST för att göra enheter som förbättrar mätförmågan hos optiska mikroskop, ett instrument tillgängligt i de flesta laboratorier, sa Stavis. Detta möjliggör snabb mätning av egenskaperna hos enstaka nanopartiklar för både grundforskning och för nanopartikeltillverkning, han lade till.
Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.
