Разработана теория, которая объясняет свойства и предсказывает поведение магнитных наночастиц

10:00, 28 июля 2021

Работа уральских ученых — важный вклад в развитие высокотехнологичной медицины и робототехники

Монодисперсная система иммобилизованных однодоменных суперпарамагнитных наночастиц. Иллюстрация: Journal of Nanoparticle Research.

Математики и физики УрФУ выдвинули теорию, которая в виде комплекса математических выражений предсказывает ключевые характеристики и поведение взаимодействующих магнитных наночастиц, расположенных в узлах простой кубической решетки. Результаты исследований имеют важное значение для разработки перспективных многофункциональных магнитных материалов с контролируемыми свойствами в медицине и робототехнике. Благодаря ученым УрФУ становится понятнее, какие факторы и внешние параметры использовать для получения магнитного отклика необходимой интенсивности у синтезируемого материала. Статья с описанием эксперимента и полученных выводов опубликована в Journal of Nanoparticle Research.

Магнитные наночастицы в жидких носителях перемещаются свободно, поэтому в феррожидкостях каждая частица совершает броуновское вращение вместе с неподвижным магнитным моментом внутри нее. Однако при внедрении наночастиц в полимерную матрицу или биологические ткани перемещение и вращение частиц становится невозможным. В этом случае основным механизмом, определяющим магнитные свойства ансамблей таких неподвижных (иммобилизованных) наночастиц, становится хаотическое вращение их магнитных моментов из-за тепловых флуктуаций. Другими словами, такие частицы становятся суперпарамагнитными.

Разработка целостной теории, описывающей взаимодействия в системе иммобилизованных суперпарамагнитных наночастиц, остается сложной задачей. Решая эту задачу и тестируя обоснованность теории, ее практическую применимость, ученые УрФУ прибегли к компьютерному моделированию.

«Оценка изменений свойств исследуемого объекта экспериментальным, физическим путем — способ трудоемкий и дорогостоящий. Преимущество математического моделирования в том, что с его помощью можно проделать то же самое, но легко, быстро и гораздо экономичнее — подставляя в математические выражения различные значения переменных», — объясняет Анна Соловьева, участник исследований и соавтор статьи, научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах УрФУ.

Компьютерный эксперимент позволяет сымитировать поведение системы в равновесном состоянии. Так можно отследить микроскопические свойства модели. Например, определить направления магнитных моментов всех наночастиц (в данном случае их было 512) при заданных внешних условиях: температуре, объеме симуляционной ячейки, интенсивности внешнего магнитного поля и т. д.

Именно в компьютерном эксперименте авторы теории установили: если оси легкого намагничивания всех частиц (наиболее энергетически выгодные направления магнитных моментов частиц, обусловленные кристаллической решеткой магнитного материала) выстроены параллельно направлению внешнего поля, магнитные моменты выравниваются вдоль этого поля быстрее. Коллективные взаимодействия частиц друг с другом вызывают быстрый рост магнитной восприимчивости и, как следствие, увеличение магнитного отклика всей системы наночастиц, закрепленных в узлах простой кубической кристаллической решетки. При поперечной ориентации осей легкого намагничивания по отношению к направлению приложенного магнитного поля наблюдается обратный эффект: магнитные моменты наночастиц удерживаются осями легкого намагничивания, и процесс упорядочения магнитных моментов вдоль поля замедляется.

«Как показал анализ снимков, полученных в компьютерном эксперименте, при определенных условиях становится возможным переход моделируемой системы к упорядоченному состоянию магнитных моментов в виде антипараллельных цепей. Вокруг каждой наночастицы шесть ее ближайших „соседей“ группировались в одинаковом порядке: две частицы образовывали с ней наиболее энергетически выгодную ориентацию магнитных моментов „голова к хвосту“, а остальные четыре показывали вторую наиболее выгодную ориентацию — „бок о бок“. Такая упорядоченная конфигурация приводит к резкому спаду начальной магнитной восприимчивости системы, ее магнитный отклик становится очень слабым», — поясняет Анна Соловьева.

Теория, созданная и протестированная математиками и физиками УрФУ, позволяет точно описать такое поведение и предсказать, что в этом случае для получения магнитоактивного материала с контролируемыми свойствами потребуется сильное приложенное магнитное поле.

Отметим, работа поддержана Уральским математическим центром (совместный проект Уральского федерального университета, Удмуртского государственного университета и Уральского отделения УрО РАН), а также Российским фондом фундаментальных исследований.

Справка

Многофункциональные магнитные материалы нового поколения — феррожидкости, феррогели, эмульсии, эластомеры, биосовместимые наполнители — получают путем встраивания магнитных наночастиц в жидкую или полимерную матрицу. Таким образом, магнитные материалы сочетают богатый набор физических, механических и физико-химических свойств полимерных материалов и жидких сред с сильным откликом на умеренные внешние магнитные поля, которые легко сгенерировать как в лабораторных, так и в практических условиях.

Благодаря такому сочетанию свойств магнитные материалы применяются в современных биомедицинских разработках. Отрабатываются методы использования таких систем для направленного транспорта лекарственных препаратов и их фиксации в нужной части организма. Магнитные материалы незаменимы в магнитной гипертермии, когда микромодуляции магнитных наночастиц в переменном магнитном поле приводят к нагреву и разрушению опухолевых клеток. Разрабатываются способы создания из магнитных материалов искусственных мышц и биологических тканей для применения в регенеративной медицине, трансплантологии, робототехнике.