Ученые обнаружили «социальное» поведение магнитных наночастиц

10:08, 16 мая 2022

Открытие применимо в технологиях адресной доставки лекарств и лечения онкозаболеваний

По словам Алексея Иванова, поведение мелких частиц в феррожидкостях похоже на поведение непослушных детей. Фото: Владимир Петров.

Магнитные наночастицы, равномерно распределенные в феррожидкостях, демонстрируют необычное поведение: мелкие частицы подчиняются коллективному поведению крупных частиц. Об этом сообщается в статье, опубликованной в научном издании Journal of Molecular Liquids. Открытие играет важную роль в сферах применения магнитных наночастиц, таких как магнитные технологии адресной доставки лекарств и лечения онкологических заболеваний. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках программы «Приоритет-2030».

В ходе исследования соавторы статьи, профессор Уральского федерального университета Алексей Иванов и профессор Эдинбургского университета Филип Кэмп, сначала в математических расчетах, а затем в компьютерном моделировании упорядочили магнитные наночастицы разного размера воздействием внешнего магнитного поля, а затем отключили его.

«Обнаружился неожиданный эффект. Известно, что чем меньше магнитные частицы, тем быстрее происходит их разупорядочение (релаксация), и наоборот: чем крупнее частицы, тем дольше протекает их релаксация. Однако наши теоретические расчеты и последующее компьютерное моделирование показали, что в присутствии крупных частиц релаксация мелких проходит неравномерно, — объясняет Алексей Иванов. — В состоянии низкой остаточной намагниченности мелких частиц, то есть когда неразупорядоченными остаются 5-10% таких частиц, они внезапно начинают подчиняться коллективному поведению крупных частиц. Время релаксации мелких частиц удлиняется и приближается ко времени релаксации крупных. Хотя количество мелких частиц в феррожидкостях всегда в разы больше, чем крупных. Это похоже на поведение непослушных детей. Чем меньше ребенок, тем быстрее он „разбалтывается“ в отсутствие взрослых. Но под влиянием взрослых, с оглядкой на них маленькие непоседы ведут себя гораздо скромнее».

Еще один обнаруженный эффект: при низких температурах длинные цепочки наночастиц образуют кольцеобразные агрегаты, в которых магнитные моменты частиц, замыкаясь в окружность, перестают реагировать на слабое внешнее магнитное поле.

«Это важно учитывать в магнитной гипертермии, когда с помощью магнитных частиц обеспечивается локальный нагрев участков органа, пораженных раковыми клетками. Чем крупнее частицы, тем больше нагрев, в то же время для большего лечебного эффекта частицы необходимо распределять так, чтобы они не слипались и не образовывали крупных агрегатов, комков. Другими словами, необходимо искать золотую середину», — подчеркивает Алексей Иванов.

Дальнейшие исследования соавторов статьи будут нацелены на выявление причин обнаруженных явлений. Открытие Алексея Иванова и Филипа Кэмпа имеет большое практическое значение для разработки так называемых умных материалов — способных контролируемым образом менять свойства под воздействием постоянного или переменного магнитного поля. Помимо магнитной гипертермии, такие материалы используются для повышения контрастности рентгеновских и томографических снимков внутренних органов, в технологиях адресной доставки лекарств к определенным участкам организма, при изготовлении жидкокристаллических экранов, фотоприемников, теплопроводников, герметиков, гидравлических амортизаторов.

Справка

В более ранних работах Алексей Иванов, Филип Кэмп и их коллега, завкафедрой теоретической и математической физики УрФУ Екатерина Елфимова, выявили и другие эффекты «социального» поведения магнитных наночастиц — частиц магнитных материалов размером 10-15 нанометров, то есть в сто раз меньше самого тонкого человеческого волоса. Ученые установили, что частицы откликаются не только на внешнее магнитное поле, но и друг на друга, поэтому их «коллективное поведение» не сводится к сумме «индивидуальных» реакций и представляет собой особый феномен.

Предметом исследования являлись магнитные наночастицы, введенные в биологическую ткань, например, в межклеточное пространство или в полимерную матрицу композита. В этом состоянии частицы обездвижены и не могут перемещаться в пространстве, но их магнитные моменты хаотически вращаются (такое явление называется суперпарамагнетизмом). При приложении постоянного внешнего магнитного поля возникает энергетическая конкуренция: поле стремится развернуть магнитные моменты частиц к себе, тогда как им хочется развернуться вдоль осей легкого намагничивания — наиболее энергетически выгодных направлений магнитных моментов. В то же время оказалось, что частицы, будучи маленькими магнитами, создающими вокруг себя собственное магнитное поле, реагируют не только на приложенное внешнее магнитное поле, но и друг на друга, с учетом взаимодействия с ансамблем других намагниченных частиц.

Ученые УрФУ впервые рассчитали формулы такого «группового поведения» частиц, а Филип Кэмп подтвердил истинность расчетов на компьютерных моделях.