Физики МГУ улучшили метод производства магнитных наночастиц на основе кобальта

Ученые кафедры общей физики и молекулярной электроники и кафедры магнетизма физического факультета МГУ совместно с коллегами из НИИЯФ МГУ предложили улучшенный метод производства наночастиц на основе кобальта. Наночастицы могут использоваться для адресной доставки лекарств или в биосенсорике. Об этом сообщили в пресс-службе вуза. 

Результаты работы опубликованы в журнале «Bulletin of the Russian Academy of Science: Physics».  

Интерес к созданию магнитных наночастиц обусловлен возможностями их использования для адресной доставки лекарств и детектирования меченых такими частицами клеток или биомолекул (антигенов, антител, белков и нуклеиновых кислот) с помощью сенсоров магнитного поля. Кроме того, возможно использовать магнитные частицы для «магнитной гипертермии», где нагрев происходит в результате воздействия внешнего СВЧ магнитного поля.

Для внедрения наночастиц в живой организм нужна их высокая химическая чистота, достигаемая физическими методами синтеза. В данном исследовании ученые выбрали метод лазерной абляции в воде тонких пленок (толщиной от 5 до 500 нанометров), что дало дополнительную возможность управлять размерами и составом наночастиц.

«Есть некоторые характерные толщины пленок, на которых происходят изменения лазерно-индуцированного нагрева вещества, — глубина термической диффузии (несколько сотен нанометров), глубина скин-слоя (что более важно для данной статьи). В этом исследовании мы оценили толщину скин-слоя в 38 нанометров, и она являлась характерной толщиной тонкой пленки, на границе которой должны происходить эти изменения», — прокомментировал доцент кафедры общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ Станислав Заботнов. 

Когда излучение проникает в металл, оно локализуется иначе на толщинах меньших, чем глубина скин-слоя — тепло от поглощенного излучения сильнее «растекается» в плоскости поверхности. Если же пленка становится толще, то заметную роль играют процессы теплопроводности и термической диффузии — тепло при поглощении локализовано уже не в скин-слое, а проникает вглубь. В результате возникают различия в пространственном распределении температуры и протекании абляции. 

В результате исследования ученые обнаружили изменения распределений наночастиц по размерам в зависимости от толщины используемой пленки. При толщинах больше глубины скин-слоя средний размер частиц находится в диапазоне 70–100 нанометров, а само распределение по размерам имеет большую дисперсию (порядка 40%, что типично для метода лазерной абляции). Это соответствует случаю так называемой откольной абляции, когда происходит механический отрыв кусков пленки в результате ее лазерного нагрева и плавления. При толщинах меньше 35 нанометров наблюдалась немонотонная зависимость среднего размера (растет до одного микрометра, потом начинает спадать с дальнейшим уменьшением толщины), при этом относительная дисперсия составляла всего лишь 20%, что соответствует фазовому взрыву, когда перегретый материал переходит в парокапельную смесь.

Далее физики исследовали магнитный отклик частиц методом вибрационной магнитометрии. Было обнаружено наличие петли гистерезиса, что соответствует ферромагнитным свойствам чистого кобальта. Другие исследования (спектроскопия комбинационного рассеяния света, спектроскопия электронного парамагнитного резонанса) показали также наличие оксида кобальта в изготовленных наночастицах.

В дальнейших планах ученых — создание магнитных биосенсоров, где будут использоваться такие магнитные наночастицы.