Come se fossero bollicine che si espandono in una bottiglia di champagne appena aperta, minuscole regioni circolari di magnetismo possono essere rapidamente ingrandite per fornire un metodo preciso per misurare le proprietà magnetiche delle nanoparticelle.
La tecnica, stappato dai ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dai loro collaboratori, fornisce una comprensione più profonda del comportamento magnetico delle nanoparticelle. Poiché il metodo è veloce, economico e non richiede condizioni speciali:le misurazioni possono avvenire a temperatura ambiente e a pressione atmosferica, o anche nei liquidi, fornisce ai produttori un modo pratico per misurare e migliorare il controllo delle proprietà delle nanoparticelle magnetiche per una serie di applicazioni mediche e ambientali.
Le nanoparticelle magnetiche possono fungere da piccoli attuatori, spingendo e tirando magneticamente altri piccoli oggetti. Basandosi su questa proprietà, gli scienziati hanno impiegato le nanoparticelle per ripulire le fuoriuscite di sostanze chimiche e assemblare e far funzionare sistemi nanorobotici. Le nanoparticelle magnetiche hanno persino il potenziale per curare il cancro:la rapida inversione del campo magnetico delle nanoparticelle iniettate in un tumore genera calore sufficiente per uccidere le cellule tumorali.
Le singole nanoparticelle magnetiche generano campi magnetici come i poli nord e sud dei noti magneti a barra. Questi campi creano bolle magnetiche—cerchi piatti con diametri iniziali inferiori a 100 nanometri (miliardesimi di metro)—sulla superficie di una pellicola magneticamente sensibile sviluppata al NIST. Le bolle circondano il polo delle nanoparticelle che punta di fronte alla direzione del campo magnetico del film. Sebbene codifichino informazioni sull'orientamento magnetico delle nanoparticelle, le minuscole bolle non sono facilmente rilevabili con un microscopio ottico.
Però, come bollicine nello champagne, le bolle magnetiche possono essere espanse fino a centinaia di volte il loro diametro iniziale. Applicando un piccolo campo magnetico esterno, il team ha allargato il diametro delle bolle a decine di micrometri (milionesimi di metro), abbastanza grande da poter essere visto con un microscopio ottico. Il segnale più luminoso delle bolle ingrandite ha rivelato rapidamente l'orientamento magnetico delle singole nanoparticelle.
Dopo aver determinato l'orientamento magnetico iniziale delle nanoparticelle, i ricercatori hanno usato le bolle ingrandite per tracciare i cambiamenti in quell'orientamento mentre applicavano un campo magnetico esterno. La registrazione della forza del campo esterno necessaria per capovolgere i poli magnetici nord e sud delle nanoparticelle ha rivelato l'entità del campo coercitivo, una misura fondamentale della stabilità magnetica delle nanoparticelle. Questa importante proprietà era stata precedentemente difficile da misurare per le singole nanoparticelle.
Samuel M. Stavis del NIST e Andrew L. Balk, che ha condotto la maggior parte delle sue ricerche presso il Los Alamos National Laboratory e il NIST, insieme ai colleghi del NIST e della Johns Hopkins University, descritto i loro risultati in un recente numero di Revisione fisica applicata .
Il team ha esaminato due tipi di nanoparticelle magnetiche:particelle a forma di bastoncino fatte di una lega di nichel-ferro e gruppi di particelle di forma irregolare fatti di ossido di ferro. Il campo magnetico applicato che ha espanso le bollicine svolge un ruolo simile a quello della pressione in una bottiglia di champagne, ha detto Balk. Sotto alta pressione, quando la bottiglia di champagne è tappata, le bolle sono sostanzialmente inesistenti, proprio come le bolle magnetiche sulla pellicola sono troppo piccole per essere rilevate da un microscopio ottico quando non viene applicato alcun campo magnetico esterno. Quando si stappa il tappo e si abbassa la pressione, le bollicine di champagne si espandono, proprio come il campo magnetico esterno ha allargato le bolle magnetiche.
Ogni bolla magnetica rivela l'orientamento del campo magnetico di una nanoparticella nell'istante in cui si è formata la bolla. Per studiare come l'orientamento è variato nel tempo, i ricercatori hanno generato migliaia di nuove bolle ogni secondo. In questo modo, i ricercatori hanno misurato i cambiamenti nell'orientamento magnetico delle nanoparticelle nel momento in cui si sono verificati.
Per aumentare la sensibilità della tecnica, i ricercatori hanno messo a punto le proprietà magnetiche del film. In particolare, il team ha regolato l'interazione Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), un fenomeno quantomeccanico che impone una torsione nelle bolle all'interno del film. Questa torsione ha ridotto l'energia necessaria per formare una bolla, fornendo l'elevata sensibilità necessaria per misurare il campo delle particelle magnetiche più piccole nello studio.
Altri metodi per misurare le nanoparticelle magnetiche, che richiedono raffreddamento con azoto liquido, lavorando in una camera a vuoto, o misurare il campo in una sola posizione, non consentono una determinazione così rapida dei campi magnetici su scala nanometrica. Con la nuova tecnica, il team ha rapidamente ripreso i campi magnetici delle particelle su una vasta area a temperatura ambiente. Il miglioramento della velocità, convenienza e flessibilità consentono nuovi esperimenti in cui i ricercatori possono monitorare il comportamento delle nanoparticelle magnetiche in tempo reale, come durante l'assemblaggio e il funzionamento di microsistemi magnetici con molte parti.
Lo studio è l'esempio più recente di uno sforzo in corso presso il NIST per realizzare dispositivi che migliorano le capacità di misurazione dei microscopi ottici, uno strumento disponibile nella maggior parte dei laboratori, disse Stavis. Ciò consente una rapida misurazione delle proprietà delle singole nanoparticelle sia per la ricerca fondamentale che per la produzione di nanoparticelle, Ha aggiunto.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.
