就好像它们是刚刚打开的香槟瓶中的气泡一样,可以迅速扩大微小的圆形磁性区域,以提供测量纳米颗粒磁性的精确方法。

该技术由美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员及其合作者提供,可以更深入地了解纳米粒子的磁性行为。由于该方法快速,经济且不需要特殊条件 - 测量可以在室温和大气压下进行,甚至可以在液体中进行 - 它为制造商提供了一种实用的方法来测量和改善他们对磁性纳米粒子性质的控制。一系列医疗和环境应用。

磁性纳米粒子可以作为微小的致动器,磁力推动和拉动其他小物体。依靠这一特性,科学家们利用纳米粒子清理化学品泄漏,组装和操作纳米机器人系统。磁性纳米粒子甚至具有治疗癌症的潜力 - 迅速逆转注入肿瘤的纳米粒子的磁场产生足够的热量来杀死癌细胞。

单个磁性纳米颗粒产生磁场,如熟悉的条形磁铁的北极和南极。这些字段创建磁性气泡 -flat与初始直径小于100纳米(十亿分之一米) -酮在NIST开发了磁性敏感膜的表面界。气泡围绕纳米颗粒极,其指向与膜的磁场方向相反的方向。尽管它们编码关于纳米颗粒的磁取向的信息,但是用光学显微镜不容易检测微小气泡。

然而,就像香槟中的气泡一样,磁泡可以扩展到其初始直径的数百倍。通过施加一个小的外部磁场,该团队将气泡的直径扩大到几十微米(百万分之一米) - 大到足以用光学显微镜观察。扩大的气泡的更亮信号迅速显示出各个纳米颗粒的磁取向。

在确定纳米粒子的初始磁取向后,研究人员使用扩大的气泡来跟踪施加外部磁场时该方向的变化。记录翻转纳米颗粒的北极和南极磁极所需的外部场的强度揭示了矫顽场的大小,其是纳米颗粒的磁稳定性的基本量度。这种重要的特性以前一直在挑战测量单个纳米粒子。

一根微小的磁棒放在磁条上。该纳米棒具有特定的磁取向,以及与薄膜相互作用的边缘场,形成气泡区域,其中磁性方向反转。通过施加第二磁场,研究人员可以改变纳米棒的磁取向,使磁泡从杆的一端移动到另一端。测量气泡的位置可以让科学家深入了解纳米棒的几何形状和磁性,并揭示它是单独的还是与其他纳米粒子聚集在一起。图片来源:S。Kelley / NIST

NIST的Samuel M. Stavis和他在洛斯阿拉莫斯国家实验室和NIST进行大部分研究的Andrew L. Balk以及NIST和约翰霍普金斯大学的同事在最近一期的Physical Review Applied中描述了他们的发现。

该团队研究了两种类型的磁性纳米粒子 - 由镍铁合金制成的棒状颗粒和由氧化铁制成的不规则形状的颗粒簇。Balk说,施加的磁场扩大了气泡,起到了与一瓶香槟压力相似的作用。在高压下,当香槟酒瓶被塞住时,气泡基本上不存在,就像胶片上的磁泡太小而在没有施加外部磁场时通过光学显微镜检测到的那样。当软木塞弹出并且压力降低时,香槟气泡膨胀,就像外部磁场扩大磁泡一样。

每个磁泡在气泡形成的瞬间显示出纳米颗粒的磁场取向。为了研究方向如何随时间变化,研究人员每秒产生数千个新气泡。通过这种方式,研究人员测量了纳米粒子发生时磁性取向的变化。

为了提高该技术的灵敏度,研究人员调整了胶片的磁性。特别是,该团队调整了Dzyaloshinskii-Moriya(DMI)相互作用,这是一种量子力学现象,在电影中的气泡中产生扭曲。这种扭曲减少了形成气泡所需的能量,提供了测量研究中最小磁性颗粒场所需的高灵敏度。

测量磁性纳米颗粒的其他方法,其需要用液氮冷却,在真空室中工作,或仅在单个位置测量磁场,不允许如此快速确定纳米级磁场。利用这项新技术,该团队在室温下快速成像大面积粒子的磁场。速度,便利性和灵活性的提高使得新的实验成为可能,研究人员可以实时监测磁性纳米粒子的行为,例如在磁性微系统的组装和操作过程中有许多部分。

Stavis表示,这项研究是NIST正在努力制造能够提高光学显微镜测量能力的设备的最新例证,这是大多数实验室提供的仪器。他补充说,这可以快速测量单个纳米粒子的性质,用于基础研究和纳米粒子制造。