خواص مغناطیسی نانو مواد

۱-مقدمه

با رسیدن ابعاد مواد به مقیاس نانو تغییرات گسترده‌ای در خواص فیزیکی و شیمیایی مواد مشاهده می‌شود. از جمله تغییرات خواص فیزیکی در نانومواد می‌توان به تغییر خواص نوری، مغناطیسی، مکانیکی و الکتریکی اشاره کرد. برای فهم تغییر در هر یک از این خواص ابتدا باید آن خاصیت و پدیده‌های مربوط به آن را بررسی نمود و سپس تاثیر رسیدن ابعاد مواد به مقیاس نانو در تغییر آن خاصیت را مطالعه کرد. در این قسمت ابتدا خاصیت مغناطیسی و انواع مواد طبق خواص مغناطیسی بررسی شده و سپس نانومواد مغناطیسی تعریف و توضیح داده می‌شود.

۲- تغییر خواص مغناطیسی با ورود به ابعاد نانو

همان‌طور که گفته شد خواص مغناطیسی در اثر ایجاد ممان‌های مغناطیسی ناشی از اسپین الکترون‌های جفت نشده ایجاد می‌شود. از طرف دیگر می‌دانیم که با ورود به ابعاد نانو، نسبت سطح به حجم افزایش قابل توجهی می‌یابد و اتم‌های سطحی نسبت به حالت توده‌ای سهم بسیار زیادی را بدست می‌آوردند. از طرف دیگر اتم‌های سطحی اتم‌هایی هستند که دارای پیوند شکسته شده می‌باشند و پیوند شکسته شده هم به معنای وجود الکترون‌های آزاد است. در نتیجه با ورود به ابعاد نانو می‌تواند الکترون‌هایی در ماده به وجود بیاید که اسپین‌های آنها جفت نشده باشد و در نتیجه ماده از خود خاصیت مغناطیسی نشان دهد. این درحالی است که همان ماده در حالت توده‌ای ممکن است هیچگونه خاصیت مغناطیسی از خود نشان ندهد.

اما خاصیت مغناطیسی اصلی که با ورود به مقیاس نانو در شرایطی ایجاد می‌شود و اهمیت بیشتری دارد، بروز خاصیت ابرپارامغناطیسی^[۱] است. در ادامه این مفهوم توضیح داده می‌شود.

مشاهده شده است که با کوچکتر کردن نانومواد تا یک محدوده مشخص (که به جنس و شکل آن ربط دارد) ماده از حالت چند حوزه به تک‌حوزه تبدیل می‌شود. یعنی در یک ذره از ماده تنها یک حوزه وجود دارد که در آن ممان‌های مغناطیسی همه در یک جهت‌اند. دلیل این امر این است که از یک اندازه‌ای (اندازه بحرانی تک‌حوزه‌ای شدن) کوچکتر، انرژی دیواره حوزه‌ها به قدری زیاد می‌شود که سیستم ترجیح می‌دهد برای حذف آن ماده تک‌حوزه شود.

قابل ذکر است که در این حالت ذرات ماده تک‌حوزه می‌شوند نه دانه‌ها یا کریستالیت‌ها. برای فهم این امر موضوع به طور مختصر هرکدام از این موارد توضیح داده خواهند شد. در یک ماده از اجتماع چند سلول واحد در کنار یکدیگر کریستالیت (بلورک) شکل می‌گیرد. از اجتماع چندین کریستالیت در کنار یکدیگر نیز دانه در ماده شکل می‌گیرد و یک ذره نیز دارای مجموعه‌ای از دانه‌هاست. همانطور که گفته شد در این حالت ذرات تک‌حوزه می‌شوند[۳-۱]. در شکل۱ یکسوشدگی حوزه‌ها در یک ذره چند حوزه‌ای و در تعدادی ذره تک‌حوزه در میدان مغناطیسی خارجی نمایش داده شده است.

شکل۱- یکسوشدگی حوزه‌ها در ذره چند حوزه (بالا) و تعدادی ذره تک‌حوزه (پایین) در حضور و عدم حضور میدان مغناطیسی[۳]

با کاهش بیشتر اندازه ذرات ماده از اندازه بحرانی تک‌حوزه‌ای شدن مشاهده می‌شود که ذرات به مرور با انرژی‌های کمتری جهت مغناطش آنها عوض می‌شود. با کاهش بیشتر اندازه ذرات به اندازه بحرانی دومی می‌رسیم که در آن ذرات حتی با انرژی گرمایی موجود در دمای اتاق (۲۵ درجه سانتی‌گراد) جهت مغناطش آنها عوض می‌شود و عملا خاصیت مغناطیسی از خود نشان نمی‌دهند (در نبود میدان مغناطیسی). به این حد بحرانی دوم حد ابرپارامغناطیس شدن گفته می‌شود و اگر اندازه ذرات از آن نیز کمتر شود یک ماده تک‌حوزه و ابرپارامغناطیس حاصل می‌شود[۳]. در شکل۲ برای چند ماده حد تک‌حوزه‌ای شدن و حد ابرپارامغناطیس شدن نمایش داده شده است.

شکل۲- حد بحرانی تک‌حوزه‌ای شدن در ذرات (آبی) و حد ابرپارامغناطیس شدن (سفید) [۳]

مطابق شکل۲ مثلا برای نیکل مشاهده می‌شود که در ابعاد حدودی ۸۵ نانومتر تک‌حوزه‌ای شدن در آن مشاهده می‌شود و با ادامه کاهش اندازه آن و رسیدن به ابعاد تقریبی ۳۰ نانومتری به یک ماده ابرپارامغناطیس تبدیل می‌شود. قابل ذکر است که علاوه بر جنس، شکل ذرات نیز در این امر اثرگذار است و مقادیر نشان داده شده مربوط به ذراتی با شکل کروی هستند.

اما همانطور که در شکل موجود در مقاله قبل مشاهده شد مواد ابرپارامغناطیس چندین خاصیت ویژه دارند. یکی از مهم‌ترین آنها این است که در حضور میدان مغناطیسی خارجی، مغناطش‌پذیری بالایی در حد مواد فرومغناطیس دارند و درنتیجه می‌توانند خاصیت مغناطیسی قوی‌ای از خود نشان دهند. مورد مهم دیگر این است که با حذف میدان مغناطیسی خارجی، در اثر گرمای محیط این مواد خاصیت مغناطیسی خود را کاملا از دست می‌دهند و هیچ مغناطش پسماندی در آنها باقی نمی‌ماند [۳]. تفاوت مواد چند حوزه‌ای، تک‌حوزه‌ای و ابرپارامغناطیس در شکل۳ نمایش داده شده است.

شکل۳- کاهش اندازه ذرات و تبدیل ذرات چند حوزه‌ای به تک‌حوزه‌ای و سپس ابرپارامغناطیس و حوزه‌ها در هریک از آنها[۴]

مطالب گفته شده باعث ایجاد کاربردهای ویژه‌ای در این مواد شده است که در ادامه به بعضی از آنها اشاره می‌شود.

۱-۲- کاربرد‌های نانومواد ابرپارامغناطیس

۱-۱-۲- حامل دارو

بعضی از نانومواد ابرپارامغناطیس همچون مگنتیت(Fe₃O₄) و مگهمیت (Fe₂O₃) زیست‌سازگاری بالایی با بدن انسان دارند و در صورت ورود به آن (در صورتیکه ابعاد آنها در بازه مطلوبی باشد) می‌توانند بدون ایجاد مزاحمتی در عملکرد بدن ماموریتی را انجام دهند. به همین دلیل از آنها به عنوان حامل دارو استفاده می‌شود. این استفاده به دو صورت است. در یک حالت دارو بر روی این نانومواد ابرپارامغناطیس بارگذاری شده و به بدن وارد می‌شود. در ادامه باتوجه به خاصیت مغناطیسی آنها با اعمال میدان مغناطیسی خارجی سعی می‌شود تا آنها را به همراه دارویی که بر روی آنها قرار گرفته است به مکان مورد نظر که مثلا می‌تواند یک سلول سرطانی باشد هدایت کرد. این امر به خاطر خاصیت مغناطیسی قوی این نانومواد مقدور است. منتها درحالتیکه هدف انتقال آنها به مناطقی در پوست یا نزدیک پوست باشد این امر امکان پذیر است.

اما حالت دیگر برای انتقال دارو استفاده از آنها صرفا به عنوان حامل دارو است. در این حالت علاوه بر دارو بر روی سطح آنها می‌توان عواملی همچون آنتی بادی‌ها یا آپتامرها قرار داده می‌شود تا بتوانند به صورت فعال یا غیرفعال (برای اطلاع بیشتر به مقالات بخش سلامت مراجعه شود) به بافت هدف که می‌تواند یک سلول سرطانی باشد برسند. در این حالت از خاصیت مغناطیسی آنها استفاده‌ای نمی‌شود و صرفا به خاطر زیست‌سازگاری بالای آنها از آنها استفاده می‌شود. البته در این حالت از نانومواد ابرپارامغناطیس آنها استفاده می‌شود (نه از نانومواد فرومغناطیس آنها) چراکه اگر در این حالت به علت وجود میدان‌های مغناطیسی خارجی نانومواد مغناطیسی شوند نیاز است تا مجددا خاصیت مغناطیسی خود را از دست دهند، چراکه در غیر این صورت به یکدیگر می‌چسبند و نمی‌توانند ماموریت خود را انجام دهند. به همین دلیل از نانومواد ابرپارامغناطیس استفاده می‌شود که اگر هم میدان مغناطیسی خارجی از طرف محیط به آنها وارد شد مجددا با گرمای محیط خاصیت مغناطیسی خود را از دست بدهد و به صورت پایدار با پخش یکنواخت در محیط قرار بگیرد[۵].

۲-۱-۲- هایپرترمیا^[۲]

از نانومواد ابرپارامغناطیس در درمان سرطان به روش هایپرترمیا استفاده می‌شود. در این روش نانومواد ابرپارامغناطیس به روش‌های مختلف در اطراف سلول سرطانی قرار می‌گیرد. سپس با اعمال میدان‌های مغناطیسی متغیر با زمان به نانومواد ابرپارامغناطیس، از آنها گرما آزاد می‌شود و به صورت موضعی اطراف سلول سرطانی تا دمای مشخصی گرم می‌شود. سلول سرطانی نسبت به سلول‌های سالم حساسیت دمایی بالاتری دارد و در دماهای به خصوصی از بین می‌رود بدون اینکه سلول‌های سالم آسیب‌های قابل توجهی دریافت کنند [۶].

۳-۱-۲- افزایش کنتراست در MRI

با ورود نانومواد ابرپارامغناطیس به بعضی از بافت‌های هدف در تهیه MRI می‌توان کنتراست قابل توجهی ایجاد نمود تا به خوبی بافت‌ها از هم تفکیک یابند. برای مثال می‌توان با قراردادن آنتی‌بادی‌های مخصوص یک نوع سلول سرطانی بر روی نانومواد ابرپارامغناطیس، آنها را به آنتی‌ژن‌های خاص آن نوع سلول سرطانی رساند و آنها را اطراف سلول سرطانی قرار داد. حال در تصویر MRI سلول سرطانی به خوبی و وضوح بالا از سایر بافت‌های اطرافش تفکیک می‌یابد. افزایش کنتراست در MRI در شکل۴ نمایش داده شده است.

شکل۴- بهبود کنتراست درMRI  

۴-۱-۲- حافظه‌های مغناطیسی

حافظه‌های مغناطیسی بر اساس ذخیره اطلاعات به شکل صفر و یک عمل می‌کنند. صفر و یک در هاردهای مغناطیسی بر اساس جهت مغناطش حوزه‌های مغناطیسی است. به این صورت که در صورت گذر از یک حوزه به حوزه مجاور اگر تغییر جهت مغناطش مشاهده شود، این تغییر جهت یک در نظر گرفته می‌شود و اگر تغییر جهتی مشاهده نشود صفر در نظر گرفته می‌شود. یکی از راهکارهایی که برای افزایش قابل توجه ظرفیت این حافظه‌های مغناطیسی و همین‌طور غلبه بر چالش‌های مختلف در عملکرد این حافظه‌ها مطرح است استفاده از نانومواد ابرپارامغناطیس است. البته در کنار استفاده از این نانومواد نیاز به تدابیر مختلفی همچون روش ذخیره‌سازی در این حافظه‌ها نیز هست [۷].

۳- تاثیر عوامل مختلف بر روی خواص مغناطیسی

از جمله عوامل تاثیرگذار بر روی خواص مغناطیسی می‌توان به ساختار کریستالی، عیوب کریستالی، ناخالصی‌ها، تخلخل، درجه حرارت، زمان، میدان خارجی و محیط اشاره نمود.

یکی از مهم‌ترین عوامل تاثیرگذار بر خاصیت مغناطیسی دماست. افزایش درجه حرارت باعث افزایش نوسانات حرارتی اتم‌ها می‌شود. اگر این افزایش نوسانات حرارتی زیاد باشد می‌تواند به جهت‌گیری حوزه‌ها غلبه کند و خاصیت مغناطیسی را کاهش دهد و یا حتی در صورتیکه دما خیلی بالا باشد خاصیت مغناطیسی را از بین ببرد. به دمایی که در آن در یک ماده به خصوص مغناطش صفر شود دمای کوری گفته می‌شود. برای مثال در شکل5 تاثیر افزایش دما بر روی مغناطش پسماند در یک قطعه نیکلی نمایش داده شده است. مطابق این شکل همانطور که توضیح داده شد دیده می‌شود که افزایش دما به کاهش مغناطش در ماده و در نهایت صفر شدن آن در دمای کوری می‌انجامد [۸].

شکل۵- تاثیر دما بر روی مغناطش پسماند یک قطعه نیکلی و نمایش دمای کوری برای آن[۸]

در بررسی عوامل مختلف بر روی خاصیت مغناطیسی یکی از عوامل تاثیرگذار دیواره حوزه‌ها هستند. همانطور که توضیح داده شده، چرخش دیواره حوزه‌هاست که باعث همراستا شدن ممان‌های مغناطیسی در ماده می‌شود، بنابراین اثر عوامل مختلف بر روی سهولت یا ممانعت از چرخش دیواره حوزه‌ها بر روی خواص مغناطیسی ماده بسیار اثرگذار است. دیواره حوزه منطقه‌ای است که در آن ممان‌های مغناطیسی بین دو حوزه مجاور تغییر کرده است. این دیواره‌ها پهنای حدودا ۱۰۰ نانومتری دارند و دارای انرژی بالایی می‌باشند. باتوجه به این امر هرچیزی که از چرخش دیواره حوزه‌ها جلوگیری کند یا در آن اختلال ایجاد کند باعث کاهش خواص مغناطیسی در ماده می‌شود. از جمله این موارد می‌توان به تخلخل، ناخالصی، افزایش مرزدانه، عیوب کریستالی، عدم توزیع یکنواخت اجزا در ماده و وجود فازهای ثانویه در ماده اشاره کرد [۸].

۴- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

با کوچکتر کردن اندازه مواد و رسیدن به ابعاد نانو می‌توان خواص ویژه مغناطیسی از مواد مشاهده نمود. باتوجه به جنس و اندازه ذرات ابعاد بحرانی جهت تک‌حوزه شدن وجود دارد که در آن حالت هر ذره صرفا یک تک‌حوزه می‌شود. با کوچکتر کردن ابعاد آن می‌توان به حد ابرپارامغناطیس شدن رسید که در آن حالت آن ذره تک‌حوزه‌ای با انرژی گرمایی محیط نیز جهت حوزه‌هایش عوض می‌شود و در اثر تصادفی شدن جهت حوزه‌ها در ذرات کنار هم دیگر خاصیت مغناطیسی‌ای دیده نمی‌شود (در نبود میدان). این نانومواد ابرپارامغناطیس باتوجه به خواص ویژه‌شان کاربردهای فراوانی در مخصوصا حوزه سلامت یافته‌اند.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۵- مراجع

[1].Callister, William D., and David G. Rethwisch. Materials science and engineering: an introduction. Vol. 7. New York: John wiley& sons, 2007.

[2]. Vajtai, Robert, ed. Springer handbook of nanomaterials. Springer Science & Business Media, 2013.

[3]. Krishnan, Kannan M., et al. "Nanomagnetism and spin electronics: materials, microstructure and novel properties." Journal of materials science 41.3 (2006): 793-815.

[4]. Busquets, Maria, et al. "Magnetic nanoparticles cross the blood-brain barrier: when physics rises to a challenge." Nanomaterials 5.4 (2015): 2231-2248.

[5]. Arruebo, Manuel, et al. "Magnetic nanoparticles for drug delivery." Nano today 2.3 (2007): 22-32.

[6]. Laurent, Sophie, et al. "Magnetic fluid hyperthermia: focus on superparamagnetic iron oxide nanoparticles." Advances in colloid and interface science 166.1-2 (2011): 8-23.

[7]. Cong, D. Y., et al. "Superparamagnetic and superspin glass behaviors in the martensitic state of Ni 43.5 Co 6.5 Mn 39 Sn 11 magnetic shape memory alloy." Applied physics letters 96.11 (2010): 112504.

[۸]. دکتر رضا نعمتی، علم و مهندسی سرامیک­‌ها، انتشارات دانشگاه صنعتی شریف، سال۱۳۹۴

۶- پاورقی‌ها

[1]Superparamagnetism

[2]Hyperthermia