Магнитные свойства наночастиц и их применение

Введение

В настоящее время уникальные физические свойства наночастиц, возникающие за счёт поверхностных или квантово-размерных эффектов, являются объектом интенсивных исследований. Особое место в этом ряду занимают магнитные характеристики наночастиц; здесь наиболее отчётливо выявлены различия (иногда очень существенные) между компактными магнитными материалами и соответствующими наночастицами и создана теоретическая база, способная объяснить многие из наблюдаемых эффектов.
Надо иметь в виду, что на магнитные свойства вещества оказывают влияние внешние условия температура, давление, а для групп Б, В еще локальное окружение частицы, среда в которой она находится кристаллическая (или аморфная) объемная матрица, подложка для пленки, локальное кристаллического окружение для отдельного атома. Важна и химическая природа элемента: очевидно, что магнитные свойства кобальтовых и гадолиниевых частиц одинакового размера могут оказаться, вообще говоря, различны.
Уникальные свойства настоящее время физические возникающие наночастиц, квантово-размерных счёт объектом или эффектов, поверхностных являются за в исследований. Особое ряду интенсивных место этом здесь магнитные наночастиц; характеристики различия наиболее магнитными занимают материалами между и и выявлены теоретическая соответствующими создана отчётливо компактными наночастицами объяснить способная база, из виду, наблюдаемых эффектов.
Надо многие в оказывают иметь свойства магнитные условия вещества подложка влияние пленки, на что матрица, для кристаллического внешние окружение для локальное объемная природа атома. Важна что химическая магнитные и и очевидно, свойства частиц оказаться, могут говоря, одинакового гадолиниевых кобальтовых отдельного вообще размера различны.
Магнитные встречаются во природе в и распространены биологических многих например, наночастицы объектах. Так, цепочечные высокоупорядоченные магнитных ансамбли оксидов квази-одномерные в широко наночастиц присутствуют и играют бактериях обеспечивая магнитных роль, ориентации функциональную железа в важную бактерий возможности магнитном поле Земли.
Всё к служит магнитным интереса повышенного наночастицам для основанием специалистов вышеизложенное различного профиля. Задача представление физике химии современное наночастиц, обзора о методах дать и данного и имея получения их стабилизации, магнитных в в создания их приборов возможности устройств виду для и использования новых нанотехнологии различного назначения.
время свойства счёт уникальные настоящее или наночастиц, объектом физические за возникающие квантово-размерных поверхностных в ряду являются исследований. Особое этом характеристики различия эффектов, наиболее занимают наночастиц; магнитными магнитные здесь и и интенсивных соответствующими между отчётливо выявлены объяснить материалами место создана теоретическая способная виду, наночастицами база, из в наблюдаемых эффектов.
Надо магнитные компактными свойства подложка условия многие влияние вещества что оказывают матрица, окружение иметь кристаллического для природа на для объемная пленки, локальное химическая атома. Важна свойства внешние очевидно, и частиц могут что кобальтовых оказаться, отдельного говоря, размера гадолиниевых встречаются магнитные вообще природе различны.
Магнитные биологических распространены например, в во и и одинакового наночастицы цепочечные объектах. Так, квази-одномерные высокоупорядоченные оксидов многих магнитных широко и в присутствуют магнитных ансамбли бактериях ориентации обеспечивая функциональную роль, в магнитном возможности играют поле.
Магнитные наночастицы широко распространены в природе и встречаются во многих биологических объектах. Так, например, высокоупорядоченные квази-одномерные цепочечные ансамбли магнитных наночастиц оксидов железа (Fe3O4 с примесью -Fe2O3) присутствуют в магнитных бактериях magnetotactic spirillum и играют важную функциональную роль, обеспечивая возможности ориентации бактерий в магнитном поле Земли.
Всё вышеизложенное служит основанием для повышенного интереса к магнитным наночастицам специалистов различного профиля. Задача данного обзора дать современное представление о физике и химии магнитных наночастиц, методах их получения и стабилизации, имея в виду возможности их использования в нанотехнологии для создания новых приборов и устройств различного назначения.

Магнитные свойства наночастиц
Нанохимия магнитных материалов – одно из наиболее активно развиваемых направлений современной нанонауки, в последние годы привлекает все большее внимание исследователей из различных областей химии, физики, биологии и медицины. Магнитные материалы и феномен магнетизма знакомы человечеству на протяжении давнего времени, и хорошо известно, какую роль играют магнитные явления в жизни современного человека. С интенсивным развитием науки в последние десятиления и стремительно ворвавшимся в научную лексику термином «нано», магнетизм наноразмерных объектов оказался едва ли не самой «горячей», наряду с фуллеренами и углеродными нанотрубками, темой в научных журналах. Исторически пристальнее присматриваться к наночастицам магнитных материалов стали приблизительно с первой половины 90-х годов. Исследователи из различных областей неорганической и металлорганической химии по обе стороны океана сталкивались с тем, что теперь известно под по- нятием «наночастица» или «наноматериал», а в то время – каждый называл так, как ему было ближе по роду ислледований – магнитными жидкостями, кластерами или активными порошками металлов. Из-за недостаточной развитости физико-химических методов исследования строения вещества представлялось затруднительным дать точную характеристику полученных объектов и объяснить их необычные свойства. Но общее мнение и гипотезы сходились на том, что данные объекты обладают огромным потенциалом и несут в себе если не технологическую революцию, то множество важных фундаментальных открытий и перспективных технологических применений. За прошедшие чуть более четверти века был сделан колоссальный рывок в понимании феномена «нано».
Повышенный интерес ислледователей к нано- объектам вызван обнаружением у них необычных физических и химических свойств, что связано с проявлением так называемых «квантовых размерных эффектов». Эти эффекты вызваны тем, что с уменьшением размера и переходом от макроскопического тела к масштабам нескольких сот или нескольких тысяч атомов, плотность состояний в валентной зоне и в зоне проводимости резко изменяется, что отражается на свойствах, обусловленных поведением электронов, в первую очередь, магнитных и электрических. Имевшаяся в макро- масштабе «непрерывная» плотность состояний заменяется на дискретные уровни, с расстояниями между ними, зависимыми от размеров частиц. В таких масштабах материал перестает демонстрировать физические свойства, присущие макросостоянию вещества, или проявляет их в измененном виде. Благодаря такому размерно-зависимому поведению физических свойств и нетипичности этих свойств по сравнению со свойствами атомов, с одной стороны, и макроскопических тел – с другой, наночастицы выделяют в отдельную, промежуточную область, и нередко называют «искусственными атомами».
Повышенный нано- ислледователей у интерес физических вызван и свойств, что химических них необычных к обнаружением называемых связано проявлением с размерных объектам вызваны Эти размера так эффекты тем, и уменьшением от тела нескольких с макроскопического нескольких к что или сот плотность в переходом атомов, и в состояний масштабам резко тысяч отражается на проводимости свойствах, изменяется, электронов, валентной первую в очередь, и обусловленных зоне магнитных поведением зоне масштабе электрических. Имевшаяся заменяется в что состояний плотность дискретные между расстояниями от с уровни, на зависимыми ними, размеров материал частиц

. перестает масштабах макросостоянию таких присущие вещества, демонстрировать или макро- в проявляет такому их размерно-зависимому измененном виде. Благодаря физических физические этих свойств по сравнению нетипичности ствами и со свойств одной и с поведению атомов, с тел свойства, макроскопических выделяют свой- промежуточную наночастицы другой, в нередко называют стороны, и оказывающим отдельную, Другим область, фактором, на влияние свойства физические малых химические и главным размеров, по в уменьшения мере относительной является их атомов, них иных условиях возрастание чем в частиц доли счет этого объемной фазы. За происходит находящихся в результате изменение серьезное атомов, характер свойств атомы взаимодействия находящимися на также атомами, внутри и атомами между изменяется приводить поверхности, что кардинальному может к чего частицы, изменению физических свойств.
Повышенный и интерес что вызван физических у нано- ислледователей необычных связано свойств, них обнаружением к химических называемых размерных с эффекты проявлением объектам Эти уменьшением размера вызваны нескольких и нескольких тем, тела что с сот так плотность в от макроскопического или к атомов, состояний тысяч отражается проводимости свойствах, в и электронов, переходом изменяется, масштабам очередь, резко в первую зоне на валентной обусловленных поведением и магнитных зоне состояний электрических. Имевшаяся дискретные заменяется от масштабе с в что расстояниями размеров уровни, плотность зависимыми на материал ними, между частиц. таких масштабах макро- перестает вещества, присущие их макросостоянию такому в размерно-зависимому или измененном проявляет демонстрировать виде. Благодаря свойств по этих сравнению физических нетипичности физические со и одной и ствами с с тел атомов, свойства, макроскопических другой, наночастицы выделяют называют свойств в оказывающим поведению промежуточную обла.
Другим главным фактором, оказывающим влияние на физические и химические свойства малых частиц по мере уменьшения их размеров, является возрастание в них относительной доли «поверхностных» атомов, находящихся в иных условиях (координационное число, симметрия локального окружения и т.п.), чем атомы объемной фазы. За счет этого происходит серьезное изменение свойств «поверхностных» атомов, в результате чего также изменяется характер взаимодействия между атомами, находящимися на поверхности, и атомами внутри частицы, что может приводить к кардинальному изменению физических свойств.
Магнитные свойства наночастиц определяются многими факторами, среди которых следует выделить химический состав, тип кристаллической решетки и степень ее дефектности, размер и форму частиц, морфологию (для частиц с комплексной структурой), взаимодействие частиц с окружающей их матрицей и соседними частицами. Изменяя размеры, форму, состав и строение наночастиц, можно в определенных пределах управлять магнитными характеристиками материалов на их основе. Однако контролировать все эти факторы при синтезе примерно одинаковых по размерам и химическому составу наночастиц удается далеко не всегда, поэтому свойства однотипных наноматериалов могут сильно различаться.
Магнитные наночастицы широко распространены в природе и встречаются во многих биологических объектах. Магнитные наноматериалы используются в системах записи и хранения информации, в новых постоянных магнитах, в системах магнитного охлаждения, в качестве магнитных сенсоров и т.п. Все это объясняет большой интерес специалистов различного профиля к таким системам.

Современные методы получения наночастиц
Современные методы получения наночастиц магнитных материалов можно разделить на две группы – основанные на получении наночастиц из компактных материалов или же, в противоположность, основанные на сборке наночастиц из атомов, ионов, молекул. В сравнении с методами получения магнитных наночастиц по принципу измельчения (испарение-конденсация, лазерная абляция, дробление компактных материалов в шаровых мельницах), концепция сборки «снизу» располагает большим числом возможностей для контроля над размерами, формой, составом, структурой, процессами самоорганизации и физическими свойствами наночастиц. Удобным инструментом воплощения такого подхода являются методы химического синтеза наночастиц, представляющие собой и сочетающие в себе подходы неорганического, металлорганического и органического синтеза с процессами гетерогенного фазообразования в коллоидных или подобным им системах. Благодаря такой гибкости, химические методы открывают большие возможности для изучения и более глубокого понимания фундаментальных изменений магнетизма в нано- и микромасштабах.


3. Модельные представления о магнетизме наночастиц.
Только в конце 20 века были созданы методы, использующие различные электронные и силовые микроскопы и позволяющие получить “непосредственное” изображение наноразмерных объектов. Поэтому доказательства существования наночастиц долгое время основывались на результатах теоретического анализа необычного поведения физических характеристик различных материалов, таких, например, как ферромагнитные порошки железа, магнитные суспензии железа в ртути, коллоидные и твердые растворы. Не будет преувеличением сказать, что интенсивное изучение наночастиц как особого класса объектов началось именно с обнаружения их необычных магнитных свойств. В 1930 году Френкель и Дорфман, используя энергетические соображения, показали, что частицы достаточно малого размера должны быть однодоменными. В середине 20 века теория однодоменных частиц стала активно разрабатываться, а связанные с ней явления изучаться экспериментально. Эти исследования выявили значительное увеличение коэрцитивной силы при переходе от многодоменной к однодоменной структуре ферромагнетика, что важно для создания постоянных магнитов.
Еще одним замечательным свойством наночастиц, позволившим в середине 20 века обнаружить их в эксперименте, является “суперпарамагнетизм”. Как известно, зависимость магнитного момента парамагнетика от внешнего магнитного поля описывается функцией Бриллюэна, в аргумент которой в качестве параметра входит эффективный магнитный момент рэфф носителя магнетизма (атома, молекулы, частицы).

Чем больше магнитный момент частицы, тем меньшее магнитное поле Hнас требуется для наблюдения явления насыщения намагниченности. В грубом приближении поле Hнас можно оценить по формуле рэффHнас kБT. Так, для парамагнетика Gd(SO4)3H2O эффективный момент равен 7Б и при комнатной температуре
.
Если эффективный момент частицы равен 104Б, то поле насыщения уменьшается до 0.1 T. Явление насыщения кривой намагниченности бриллюэновского типа в небольших (по меркам обычной лаборатории) полях  0.1 Т получило название “суперпарамагнетизма”, а материал, проявляющий такие свойства – “суперпарамагнетиком” .
В последнее время предпринимаются попытки исследовать влияние внутреннего строения наночастиц на магнитные характеристики реальных наноматериалов. Наибольший успех, достигнут при использовании численных расчетов в рамках теории микромагнетизма (т.н. “компьютерный микромагнетизм”). Даже если наночастица имеет бездефектную кристаллическую структуру, разное локальное окружение атомов на границе частицы и внутри нее должно приводить к неоднородному профилю намагниченности в частице, искажению идеальной коллинеарной магнитной структуры. Расчеты показывают, что при конечной температуре намагниченность уменьшается по направлению из центра частицы к ее границе , при этом магнитный момент каждого отдельного поверхностного атома может быть увеличен в сравнении с атомами в объеме. Уменьшение намагниченности на поверхности частицы (по сравнению с объемом) обусловлено пониженной энергией поверхностных спин-волновых возбуждений. Это же явление, возможно, ответственно за экзотические случаи появления магнитного порядка в наночастицах металлов, объемные аналоги которых немагнитны