Методы получения магнитных кластеров
Для создания магнитных кластеров используются, кроме химического синтеза, молекулярные пучки, сканирующая туннельная микроскопия. Для создания микроскопического материала, включающего магнитные наночастицы, предлагаются как традиционные способы «сверху вниз» (классическая для микроэлектроники литография), так и новые технологии.
Области применения магнитных кластеров
Кроме научного значения, исследования магнитных нанокластеров представляют большой практический интерес с точки зрения использования необычных свойств наноструктур в современной технике, в частности, для записи и чтения информации со сверхвысокой плотностью, для нужд медицины, улучшения и стабилизации свойств других наноструктур и т. д.
Среди применений наномагнитов в медицине можно упомянуть разрабатываемый метод безоперационного надежного определения метастаз в лимфатических них - метод магнитно-резонансной томографии. Наночастички захватываются микрофагами - иммунными клетками, перемещающимися по лимфатическим узлам, что приводит к изменению магнитных свойств клеток, вызывая на экране затуманенное изображение здорового лимфатического узла. Лимфатические узлы с опухолевыми клетками хуже пропускают поток микрофагов, такие узлы выглядят на экране и снимках ярче.
Берлинские медики используют так называемые гипертермические медикаменты - небольшие, около 10 нм, магнитные частицы, покрытые золотом, которые поглощаются тканью опухоли. Под воздействием магнитного поля наночастицы приходят в движение, разогревая тем самым клетки опухоли, которые в результате погибают.
Малые магнитные частицы предлагается использовать для нанесения на важные финансовые документы штрих - кодов, практически защищенных от любой подделки.
Испанские исследователи разработали сверхлегкий прозрачный магнитный материал, в котором в плотный, но сверхпористый аэрогель из кварца вкраплены магнитные наночастицы Nd2Fe14B. Материал похож на дымчатое стекло и по плотности близок к дереву. Предполагаемые применения: магнитооптический дисплей, управляемый не электрическим, а магнитным полем, устройства памяти и пр.
Естественным применением магнитных наночасти в духе общего развития нанотехнологии является и введение внутрь каркасных наноструктур - фуллеренов или углеродных нанотрубок. Такие на шпигованные нанотрубки в будущем могут быть использованы для хранения информации или как сверхмалые магниты, тем более что нанотрубки защищают атомы металла от окисления. Например, в углеродные нанотрубки диаметром от 20 до 70 нм и длиной око ни 40 мкм удалось поместить частички железа, которые распределились равномерно, образуя подобие кристаллической структуры. Углеродные нанотрубки заполняют частицами кобальта, никеля, получая при этом отличные магнитные материалы, которые могут долго храниться на воздухе и при повышенной температуре. Нагрев в течение двенадцати часов до 150-200 0С не приводит к окислению кобальта, в то время как незащищенные нанокластеры полностью окисляются.
Суперпарамагнетизм
Применение системы магнитных наночастиц сталкивается с проблемой, характерной для объектов наноразмеров. Выше мы рассматривали роль теплового движения в нарушении упорядоченности элементарных магнитиков при парамагнетизме. Для магнитных наночастиц энергия, соответствующая поддержанию ориентации ее магнитного момента, при комнатных температурах становится сравнимой с энергией теплового движения. Поэтому стабильная магнитная упорядоченность системы наночастиц, отвечающая, например, за запись информации, со временем нарушается. Это пиление, называемое суперпарамагнетизмом, мешает Дальнейшей миниатюризации устройств электроники.
Можно было бы бороться с суперпарамагнетизмом, понижая температуру. Но, во-первых, это усложнит систему, во-вторых, как оказалось, не решит проблему. При обычных температурах элементарный магнитный момент может поменять ориентацию в среднем за некоторое время τ, которое называется временем релаксации. Это время зависит от температуры по универсальному закону Аррениуса, описывающему скорости многий физических и химических процессов:
где τ0 - некоторая константа, kБ - постоянная Больцмана, U0 - потенциальный барьер (рис. 3.5), который разделяет два равновесных состояния.
Впервые явление суперпарамагнетизма обнаружил и 1949 г. при изучении магнетизма земных пород знаменитый французский физик Луи Неель. Он вывел формулу, аналогичную закону Аррениуса. Однако при очень низких температурах обнаруживается отклонение от закона Аррениуса: процесс переориентации идет с постоянной скоростью, не зависящей больше от температуры. Начинает проявляться процесс квантового туннелирования, аналогичный тому.
На молекулах-магнитах можно в «чистом» виде изучать процесс суперпарамагнетизма, в том числе при низких температурах. Молекула-магнит Mn-12 (см. рис. 3.4, в) служит объектом многочисленных экспериментов физиков. Во-первых, было доказано, что этот кластер в целом ведет себя как квантовый объект и при низких температурах совершает туннельный переход. Этот результат представляет интерес для физиков. Во-вторых, это дает принципиальную возможность использовать молекулу-магнит для записи информации. Если это удастся, плотность записи информации будет в 10 000 раз выше, чем на современных магнитных дисках, и приблизится возможность создания квантового компьютера.
Один из путей преодоления суперпарамагнетизма уже предложен: использование ферромагнитных наночастиц на антиферромагнитной матрице. Для ферромагнитных наночастиц внутреннее магнитное поле выходит далеко за их пределы, они активно взаимодействуют с матрицей, и матрица стабилизирует их намагниченность, существенно увеличивая температуру проявления суперпарамагнетизма. В одном эксперименте наночастицы ферромагнитного кобальта размерами в несколько нанометров встраивались в антиферромагнитную матрицу оксида кобальта СоО, в которой сохраняли ферромагнитные свойства вплоть до 290 К. Если частицы были встроены в парамагнитную матрицу (например, А12О3), они теряли намагниченность уже при 10 К. Этот эксперимент позволяет надеяться на получение магнитной стабильности элементов памяти размером всего в несколько нанометров (плотность записи информации порядка 0,1 Тбит/см2).
На особенностях обменного взаимодействия магнитных кластеров основано и другое перспективное направление применения магнитных наноструктур - улучшение условий для сверхпроводимости. Известно, что внешнее магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Однако оказалось, что если поверх тонкой сверхпроводящей пленки из свинца расположить кобальтпалладиевые ферромагнитные квантовые точки размером по 800 нм на расстоянии около 1,5 мкм друг от друга, то ток сверхпроводимости усилится. Происходит перераспределение магнитного поля: под каждой точкой возникает магнитное поле, разрушающее состояние сверхпроводимости, но зато этот деструктивный эффект уменьшается между точками. Бельгийские ученые, наблюдавшие в 2003 г. этот эффект, сравнивают его с впитыванием влаги с пола (влага - аналог внешнего магнитного поля) массой маленьких уже слегка влажных губок - пол между губками становится сухим. Предполагается, что изготовленные подобным образом наноточечные матрицы могут быть использованы для логических схем квантовых компьютеров.
Приведенные примеры подтверждают неограниченные возможности влияния на физические и химические свойства кластеров, используя их взаимодействие с другими кластерами, отдельными атомами или матрицей (подложкой).