Исследованы форма и размеры частиц в магнитной жидкости

Ученые из Испании и России применили и усовершенствовали классический подход в исследовании магнитных жидкостей – текучих веществ, сильно поляризующихся в присутствии магнитного поля. Это позволит расширить возможности их применения в медицинской диагностике. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Sciences.

Магнитные жидкости — это образования из двух несмешивающихся фаз: частиц магнитных материалов размерами от единиц нанометров до единиц микрометров и полярной или неполярной дисперсионной среды. Эти вещества относятся к коллоидным системам, то есть они не препятствуют прохождению света, но рассеивают проходящий через них луч, а также, благодаря хаотическому тепловому движению молекул, не выпадают в осадок. Кроме того, у магнитных жидкостей есть такие важные свойства, как устойчивость к переходу в другие физические состояния, способность удерживать намагниченность при достижении ее предельного значения, изменение вязкости при намагничивании. Магнитные жидкости применяются в машиностроении, горной промышленности, электронике, медицине. Например, в технике их используют для передачи силы или энергии от одного механизма к другому, в качестве смазочно-охлаждающих материалов. В разных областях требуются магнитные жидкости с различной концентрацией частиц. Для этого изначальную магнитную жидкость в несколько раз разбавляют, что, однако, может привести к слипанию частиц и исчезновению важных свойств.

Для подготовки разбавленных магнитных жидкостей нужно проанализировать распределение частиц по размеру. Это можно сделать при помощи оптических методов, например динамического рассеяния света (ДРС). Подход основан на анализе временной зависимости интенсивности рассеяния лучей на образце. Однако стандартный метод ДРС не позволяет изучить форму частиц. Кроме того, проблемой остается то, что в разбавленных магнитных жидкостях частицы слипаются, из-за чего исследовать их по одной невозможно.

Ученые из СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого вместе с коллегами из Политехнического университета Мадрида решили использовать исходный метод ДРС для исследования распределения по размерам как единичных магнитных частиц, так и их агрегатов в магнитных жидкостях. Они синтезировали магнетит-кремнеземную магнитную жидкость, используя запатентованный ЛЭТИ способ, из водного раствора хлорида железа (III) и сульфата железа (II), а затем исследовали ее оптические, структурные и магнитные свойства. Гранулометрический состав магнитной жидкости был изучен при помощи микроскопии. Фазовый состав оценивали путем анализа отражения рентгеновских лучей и электронов от частиц магнитной жидкости, а магнитные свойства изучали методом вибрационной магнитометрии.

Чтобы исследовать форму частиц, ученые улучшили метод динамического рассеяния света. Это позволило впервые изучить количественные характеристики движения частиц магнитного материала в жидкой среде: коэффициенты поступательной и вращательной диффузии одиночных магнитных наночастиц и их агрегатов. Эти показатели связаны с вращательным действием хаотического теплового движения молекул и позволяют уточнить размеры частиц. Ученые рассчитали геометрические параметры наночастиц и их агрегатов. Оказалось, что агрегаты имеют в основном эллиптическую форму, а форма одиночных частиц близка к сферической. Сферическая форма магнитных наночастиц при их размерах порядка 10–20 нанометров обеспечивает суперпарамагнитные свойства, то есть отсутствие магнитного момента наночастицы при отсутствии внешнего магнитного поля. Именно эти характеристики требуются в медицине: с одной стороны, суперпарамагнетизм препятствует агрегации наночастиц в сосудистом русле, и, следовательно, снижает риск тромбоза, а с другой, позволяет использовать наночастицы как средство магнитоуправляемой доставки лекарств и как контрастирующий агент в магнитно-резонансной томографии.

Также ученые выяснили, что при разбавлении магнитной жидкости в 200 и более раз она утрачивает свою стабильность, и наночастицы формируют агрегаты размером около 140 нанометров. В дальнейшем планируется изучить предел концентрации магнитных жидкостей, при которой нарушается свойство устойчивости к седиментации.

«С помощью усовершенствованного метода ДРС мы изучили структурные характеристики магнетит-кремнеземных наночастиц. Это шаг на пути к их внедрению в медицинскую практику, в частности в магнитно-резонансную томографию. Кроме того, наш метод может быть использован при изучении наночастиц не только в магнитных жидкостях, но и в биологических растворах», — резюмировал один из исследователей, сотрудник кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Камиль Гареев.