Nanopartikel magnetik dan resonans superparamagnet (1) "Kesan saiz"

Hablur pukal (＞ 100 nm) logam dan semikonduktor mempunyai kekonduksian elektrik yang diperoleh daripada elektron bebas, yang tergolong dalam tahap tenaga berterusan yang dipanggil "struktur jalur". Apabila kristal ini dikecilkan kepada kawasan mesoskopik (Rajah 1 : 1 – 100 nm), ruang tahap tenaga tidak lagi dianggap sebagai "berterusan", tetapi diskret. Akibatnya, ia menunjukkan sifat fizikal baharu yang berbeza daripada pukal, atom dan molekul. Ini dipanggil kesan saiz kuantum^[1].

Triiron tetraoksida (Fe₃O₄), yang merupakan ferrimagnet serta separuh logam (atau semikonduktor), terkenal sebagai "magnetit", dan merupakan sebatian yang biasa digunakan dalam sejarah. Zarah halus magnetit, serta logam lain, menunjukkan sifat fizikal ciri berdasarkan kesan kuantum. Zarah magnet saiz mesoskopik mempunyai domain magnet tunggal, dan berkelakuan sebagai "superparamagnet"bukan lagi ferrimagnet oleh kesan gerakan Brown dan kelonggaran Neel. Berbeza dengan ferromagnet/ferrimagnet, superparamagnet tidak mempunyai histeresis dan anisotropi magnetnya adalah kecil. Namun begitu, ia mempunyai momen magnet yang besar serupa dengan ferimagnet. Nanopartikel magnetik seperti magnetit adalah digunakan untuk bidang Hyperthermia^{[2] [3]}, Pengimejan Zarah Magnet^[4] dan sebagai agen kontras^[5] Pengimejan Resonans Magnetik.

Rajah 1 Gambar rajah yang menyatakan saiz dan struktur tenaga bahan pengalir.

Variasi spektrum FMR/SPR yang bergantung kepada saiz zarah

Rajah 2 menunjukkan spektrum resonans feromagnetik (FMR) Fe₃O₄ serbuk dengan diameter 50 – 100 nm dan spektrum resonans superparamagnetik (SPR) Fe₃O₄ penyebaran nanopartikel magnetik dalam toluena. Serbuk magnet saiz besar mempunyai kekonduksian elektrik serta anisotropi magnetik. Oleh itu, spektrumnya diperhatikan sebagai bentuk Dysonian yang luas. Sebaliknya, anisotropi magnetik nanopartikel menjadi lebih kecil dan lebih kecil mengikut pengecilan, dan tambahan isyarat isotropik sempit baru muncul. Corak spektrum ini sama sekali berbeza daripada serbuk saiz besar dan ion besi paramagnet. Ini adalah keadaan elektron unik bergantung pada saiz.

Rajah 2 Spektrum ESR magnetit (Fe₃O₄) zarah dengan diameter yang berbeza.
(a) Spektrum FMR Fe₃O₄ serbuk dengan diameter 50 – 100 nm.
(b) Spektrum SPR Fe₃O₄ penyebaran zarah nano magnetik dalam toluena (0.625 mg / mL).