Como si fueran burbujas expandiéndose en una botella de champán recién abierta, Las diminutas regiones circulares de magnetismo se pueden ampliar rápidamente para proporcionar un método preciso de medir las propiedades magnéticas de las nanopartículas.

La técnica, descorchado por investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colaboradores, proporciona una comprensión más profunda del comportamiento magnético de las nanopartículas. Porque el método es rápido, económico y no requiere condiciones especiales; las mediciones pueden ocurrir a temperatura ambiente y bajo presión atmosférica, o incluso en líquidos:proporciona a los fabricantes una forma práctica de medir y mejorar su control de las propiedades de las nanopartículas magnéticas para una gran cantidad de aplicaciones médicas y ambientales.

Las nanopartículas magnéticas pueden servir como pequeños actuadores, empujando y tirando magnéticamente de otros objetos pequeños. Confiando en esta propiedad, Los científicos han empleado las nanopartículas para limpiar derrames químicos y ensamblar y operar sistemas nanorobóticos. Las nanopartículas magnéticas incluso tienen el potencial de tratar el cáncer:invertir rápidamente el campo magnético de las nanopartículas inyectadas en un tumor genera suficiente calor para matar las células cancerosas.

Las nanopartículas magnéticas individuales generan campos magnéticos como los polos norte y sur de imanes de barra familiares. Estos campos crean burbujas magnéticas, círculos planos con diámetros iniciales inferiores a 100 nanómetros (mil millonésimas de metro), en la superficie de una película magnéticamente sensible revelada en el NIST. Las burbujas rodean el polo de nanopartículas que apunta en dirección opuesta a la dirección del campo magnético de la película. Aunque codifican información sobre la orientación magnética de las nanopartículas, las diminutas burbujas no se detectan fácilmente con un microscopio óptico.

Sin embargo, como burbujas en champagne, las burbujas magnéticas se pueden expandir a cientos de veces su diámetro inicial. Aplicando un pequeño campo magnético externo, el equipo amplió el diámetro de las burbujas a decenas de micrómetros (millonésimas de metro), lo suficientemente grande para ver con un microscopio óptico. La señal más brillante de las burbujas agrandadas reveló rápidamente la orientación magnética de las nanopartículas individuales.

Después de determinar la orientación magnética inicial de las nanopartículas, los investigadores utilizaron las burbujas agrandadas para rastrear los cambios en esa orientación mientras aplicaban un campo magnético externo. El registro de la fuerza del campo externo requerido para voltear los polos magnéticos norte y sur de las nanopartículas reveló la magnitud del campo coercitivo, una medida fundamental de la estabilidad magnética de las nanopartículas. Esta importante propiedad había sido difícil de medir previamente para nanopartículas individuales.

Samuel M. Stavis de NIST y Andrew L. Balk, quien realizó la mayor parte de su investigación en el Laboratorio Nacional de Los Alamos y NIST, junto con colegas del NIST y la Universidad Johns Hopkins, describió sus hallazgos en un número reciente de Revisión física aplicada .

El equipo examinó dos tipos de nanopartículas magnéticas:partículas en forma de varilla hechas de una aleación de níquel-hierro y grupos de partículas de forma irregular hechos de óxido de hierro. El campo magnético aplicado que expandió las burbujas juega un papel similar al de la presión en una botella de champán. Balk dijo. Bajo alta presión, cuando la botella de champán esté tapada con corcho, las burbujas son esencialmente inexistentes, al igual que las burbujas magnéticas de la película son demasiado pequeñas para ser detectadas por un microscopio óptico cuando no se aplica ningún campo magnético externo. Cuando se rompe el corcho y se reduce la presión, las burbujas de champán se expanden, al igual que el campo magnético externo agrandaba las burbujas magnéticas.

Cada burbuja magnética revela la orientación del campo magnético de una nanopartícula en el instante en que se formó la burbuja. Para estudiar cómo varió la orientación con el tiempo, los investigadores generaron miles de burbujas nuevas cada segundo. De este modo, los investigadores midieron los cambios en la orientación magnética de las nanopartículas en el momento en que ocurrieron.

Para mejorar la sensibilidad de la técnica, los investigadores ajustaron las propiedades magnéticas de la película. En particular, el equipo ajustó la interacción Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), un fenómeno de mecánica cuántica que impone un giro en las burbujas dentro de la película. Este giro redujo la energía necesaria para formar una burbuja, proporcionando la alta sensibilidad necesaria para medir el campo de las partículas magnéticas más pequeñas en el estudio.

Otros métodos para medir nanopartículas magnéticas, que requieren enfriamiento con nitrógeno líquido, trabajando en una cámara de vacío, o midiendo el campo en un solo lugar, no permiten una determinación tan rápida de campos magnéticos a nanoescala. Con la nueva técnica, el equipo rápidamente tomó imágenes de los campos magnéticos de las partículas en un área grande a temperatura ambiente. La mejora en la velocidad, la conveniencia y la flexibilidad permiten nuevos experimentos en los que los investigadores pueden monitorear el comportamiento de las nanopartículas magnéticas en tiempo real, como durante el montaje y funcionamiento de microsistemas magnéticos con muchas piezas.

El estudio es el ejemplo más reciente de un esfuerzo continuo en NIST para fabricar dispositivos que mejoren las capacidades de medición de los microscopios ópticos. un instrumento disponible en la mayoría de los laboratorios, —dijo Stavis. Esto permite la medición rápida de las propiedades de nanopartículas individuales tanto para la investigación fundamental como para la fabricación de nanopartículas. añadió.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.