Мнения Магнитные наночастицы

08.02.2016 08:30:00

Николай А. Усов

д. ф-м. н, Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН)

Подробнее

Магнитные наночастицы: теория и современные технологические применения

Ансамбли магнитных наночастиц находят весьма широкое применение в современных нанотехнологиях. Достаточно упомянуть такие важные приложения магнитных наночастиц, как сверхплотная магнитная запись информации, магнитные жидкости с уникальными реологическими свойствами, высококоэрцитивные постоянные магниты, пр. В последнее время быстро развиваются весьма перспективные биомедицинские применения магнитных наночастиц, такие как магнитная резонансная томография, адресная доставка лекарств, магнитная гипертермия, глубокая очистка биосред от токсинов и примесей, и.т. д.

Химики, физики, инженеры и технологи долгие годы работают с разнообразными ансамблями магнитных наночастиц, добиваясь оптимизации физико-химических свойств ансамблей для разнообразных технический применений. Эта работа еще далека от завершения. Это связано во-первых с тем, что само явление магнетизма достаточно сложно для изучения. А во вторых, весьма непросто работать с нано- объектами, наблюдать которые можно лишь с помощью совершенных электронных микроскопов.

Ферромагнитное вещество обладает особым магнитным порядком, который отсутствует в обычных веществах. А именно, в каждой точке ферромагнитного тела существует вектор намагниченности M®, длина которого постоянна, и равна физической величине, называемой намагниченностью насыщения вещества, |M®| = Ms. Намагниченность насыщения – это количество элементарных магнитных моментов в единице объема ферромагнитного вещества, поведение которых скоррелировано квантово-механическим обменным взаимодействием [1,2]. Основным предметом изучения в ферромагнетизме является анализ возможных типов распределения вектора M® по объему ферромагнитного тела в зависимости от приложенного магнитного поля и других факторов. Оказывается, что вектор M® не может меняться резко, скачками, а может лишь плавно разворачиваться в намагниченном теле от точки к точке, сохраняя свою длину. Таким образом, по сути дела магнетизм – это трехмерное векторное поле.

Заметим, что мы живем в окружении различных физических полей. Например, неоднородное распределение температуры внутри и вокруг нас есть трехмерное скалярное поле температуры. Это поле описывается единственной функцией T(r,t), которая может зависеть не только от положения точки в пространстве r, но и от времени t. Для описания же векторного поля нужны три функции – проекции этого вектора на оси декартовой системы координат, {Mx(r,t), My(r,t), Mz(r,t)}. Существенное свойство магнитного вектора, радикально отличающее поле этого вектора от других физических полей – это постоянство длины магнитного вектора, Mx2(r,t)+My2(r,t)+Mz2(r,t) = Ms2, что диктуется законами квантовой механики [1,2]. Это соотношение нелинейное, поскольку оно связывает квадраты величин. Поэтому изучение ферромагнетизма требует применения специальной нелинейной математики, которая намного сложнее обычного математического анализа. Кроме того, любое намагниченное тело создает внутри и вокруг себя распределение магнитного поля, H®, которое само влияет на распределение намагниченности в ферромагнитном теле. При удалении от намагниченного тела поле H® убывает в пространстве медленно, пропорционально ~ 1/r3, то есть оно является дальнодействующим. Это значит, что даже достаточно удаленные участки намагниченного тела связаны магнитным взаимодействием, то есть их поведение согласовано.

Эти два обстоятельства – нелинейность уравнений, которые описывают распределение вектора M® в пространстве, и дальнодействующий характер магнитного взаимодействия, чрезвычайно затрудняют теоретический анализ свойств ферромагнитных материалов. Хотя основные уравнения феноменологического ферромагнетизма были сформулированы Ландау и Лифшицем очень давно, в их знаменитой работе 1935 года [3], существенный прогресс в разработке теории ферромагнетизма произошел лишь в 90-х годах прошлого века, в связи с развитием мощных методов компьютерного моделирования. До сего времени магнитные наночастицы остаются одним из центральных объектов теории ферромагнетизма, и все еще являются важной областью экспериментальных изысканий. Дело в том, что протяженное ферромагнитное тело обладает большим числом магнитных степеней свободы. Действительно, в макроскопически большом теле вектор M® может разворачиваться в пространстве огромным числом способов. Об этом явлении говорят, как о наличии большого числа устойчивых распределений намагниченности, которые могут к тому же легко преобразовываться друг в друга. Поэтому свойствами протяженного ферромагнетика трудно управлять, так как сложно фиксировать магнитное состояние такого тела.

Ясно, однако, что число магнитных степеней свободы резко уменьшается с уменьшением объема тела. Действительно, квантово-механическое обменное взаимодействие разрешает лишь достаточно плавные изменения вектора M® в пространстве, на характерных длинах, превышающих так называемую обменную длину Lex. В хороших ферромагнетиках, таких как железо, кобальт, никель и их сплавы, обменная длина составляет по порядку величины 20-30 нанометров. Если характерный размер наночастицы D меньше или порядка обменной длины, D < Lex, то разворот вектора намагниченности в пределах такой частицы энергетически невыгоден. Более строго говорить о характерном размере однодоменности, Dc, [4] который в так называемых магнито- мягких ферромагнетиках близок к обменной длине, Dc ~ Lex. Частицы с размерами, меньшими диаметра однодоменности, D < Dc, намагничены однородно, то есть их вектор намагниченности не зависит от координат, M = const. Такие частицы, с наиболее простой магнитной структурой, называются однодоменными. Однодоменная частица является маленьким постоянным природным магнитом, который практически невозможно размагнитить. Если же размер частицы превышает размер однодоменности, D > Dc, то в такой частице могут развиваться неоднородные распределения намагниченности, как правило, вихревого типа.

Рис. 1. Состояние однородного намагничивания в сферической наночастице кобальта диаметром D = 36 нм (слева) и неоднородное вихревое состояние в такой же наночастице диаметром D = 56 нм (справа), полученные с помощью трехмерного компьютерного моделирования.

На Рис. 1 показаны однородное и вихревое распределения намагниченности, рассчитанные современными численными методами [5] в сферических наночастицах кобальта разного диаметра. Трехмерные распределения вектора намагниченности в этих частицах представлены на этих рисунках стрелочками фиксированной длины. Для определения диаметра однодоменности сферической наночастицы кобальта нужно сосчитать энергетическую диаграмму этих состояний, схематически показанную на Рис. 2.

Рис. 2. Схематическая энергетическая диаграмма устойчивых магнитных состояний наночастицы в зависимости от ее радиуса.

Как видно из Рис. 2, полная удельная энергия однородно намагниченного состояния частицы (черная линия) не зависит от радиуса частицы, в то время как полная энергия вихревого состояния (красная кривая) быстро уменьшается с увеличением ее радиуса. Точка пересечения указанных кривых определяет радиус однодоменности частицы ac = Dc/2. Если радиус частицы r < ac, то однородное состояние обладает наименьшей полной энергией, в то время как вихревое состояние в некоторой области радиусов может существовать как метастабильное, то есть быть устойчивым, но обладать большей энергией. Если же r > ac, то нижайшим по энергии будет вихревое состояние. При этом однородное состояние может существовать как метастабильное в интервале радиусов ac < r < Rc, где Rc есть радиус устойчивости однородного состояния.

Для большинства технических приложений удобно работать с ансамблем однодоменных наночастиц, свойства которых можно сравнительно точно предсказывать и контролировать. Однодоменная наночастица при всех обстоятельствах сохраняет свой полный магнитный момент, в то время как средний магнитный момент частицы в вихревом состоянии может быть небольшим, так как магнитные векторы в таком состоянии замыкаются сами на себя. Для частицы в вихревом состоянии среднее значение магнитного момента существенно зависит от величины внешнего магнитного поля, действующего на частицу. Из диаграммы Рис. 2 видно, что если в ансамбле имеется разброс наночастиц по размерам вблизи радиуса однодоменности, то фактически такой ансамбль является неконтролируемой смесью частиц с разными свойствами, однодоменными и не однодоменными. Если еще учесть, что значение радиуса однодоменности зависит от формы частицы (сфера, вытянутый или сплюснутый сфероид), то экспериментальная ситуация становится достаточно запутанной.

Мы видим, что ансамбль магнитных наночастиц – это достаточно сложная физическая система, свойства которой определяются множеством различных факторов. В большинстве случаев (хотя и не всегда) ансамбль состоит из наночастиц одного химического состава. Следовательно, частицы ансамбля можно характеризовать единым набором материальных магнитных параметров, то есть намагниченностью насыщения Ms, типом магнитной анизотропии и значением константы магнитной анизотропии K. Магнитная анизотропия определяет выделенные направления (так называемые легкие оси) в пространстве по отношению к осям симметрии кристалла. В отсутствие внешнего магнитного поля вектор намагниченности частицы самопроизвольно ориентируется вдоль легких осей магнитного кристалла. Но задания одних только магнитных параметров совершенно недостаточно для полной характеристики ансамбля наночастиц. Необходимо знать распределение наночастиц по размерам и форме; число и ориентацию легких осей анизотропии наночастиц (ориентированный, либо неориентированный ансамбль); распределение центров наночастиц в пространстве. Например, центры наночастиц могут быть расположены периодически, образуя некоторую пространственную решетку, либо занимать случайные положения, с некоторым средним расстоянием между частицами.

Заметим, что в реальных экспериментах исследуются, как правило, достаточно плотные ансамбли частиц, свойства которых существенно отличаются от свойств редких ансамблей. Теоретическое исследование свойств плотного ансамбля частиц, затруднено дальнодействующим характером магнито- дипольного взаимодействия между частицами ансамбля. В силу этого для ансамбля, в котором имеется Np частиц, необходимо учитывать Np2 парных взаимодействий частиц, так что сложность вычислений быстро возрастает с ростом числа частиц в ансамбле.

Далее, на свойства ансамбля существенное влияние оказывает среда, в которой ансамбль находится. Следует различать среды относительно небольшой вязкости, в которых частицы ансамбля под влиянием внешнего магнитного поля или магнитно-дипольного взаимодействия соседних частиц могут поворачиваться как целое, и среды типа твердой матрицы, в которых вращение наночастиц как целого невозможно. Наконец, температура окружающей среды может существенно влиять на свойства ансамбля частиц достаточно малых размеров (суперпарамагнитные наночастицы). Если температура среды превышает так называемую температуру блокировки магнитных моментов наночастиц, то температурные флуктуации магнитных моментов отдельных частиц существенно уменьшают средний магнитный момент ансамбля.

Перейдем к техническим приложениям. Магнитный момент однодоменной магнитной наночастицы с одноосной магнитной анизотропией имеет два выделенных направления в пространстве. При достаточно низкой (например, комнатной) температуре в каждом из этих двух магнитных состояний частица может находиться неопределенно долго. Тем самым, она сохраняет память о приобретенном магнитном состоянии, а значит, может хранить информацию без потерь достаточно долгое время. Если условно приписать значение «0» направлению магнитного момента частицы вверх, и значение «1» направлению магнитного момента вниз, как показано на Рис. 3 слева, то некоторый двоичный текст из последовательности нулей и единиц можно хранить в специально приготовленном магнитном состоянии ансамбля наночастиц. В настоящее время в процессе магнитной записи один бит информации записывается не на одну, а на целую совокупность из 20-40 близко расположенных магнитных наночастиц. Переход к записи по принципу «один бит – одна частица» позволил бы существенно увеличить плотность магнитной записи информации.
Совершенно очевидны, однако, существенные технические трудности, которые необходимо преодолеть для реализации этой интересной идеи. Во первых, частицы ансамбля должны быть в значительной мере одинаковыми и периодически расположенными в плоскости, с периодом решетки, порядка размера наночастицы. Тем удивительнее, что подобные, почти идеально периодические структуры магнитных наночастиц химики недавно научились создавать [6] с помощью процессов самосборки, то есть самоорганизации частиц ансамбля в процессе их роста в ходе химической реакции (см. Рис. 3, справа).

Рис. 3. Принцип сверх плотной магнитной записи информации на отдельные магнитные наночастицы с двумя магнитными состояниями (слева) и периодическая структура магнитных наночастиц FePt, полученная химическим методом самосборки.

Однако, для осуществления идеи сверх плотной записи информации, кроме реализации правильной геометрической структуры ансамбля, необходимо обеспечить достаточно большое значение константы магнитной анизотропии синтезируемых наночастиц. В принципе, частицы FePt с правильной кристаллической структурой, в которой плоскости атомов железа регулярно чередуются с плоскостями атомов платины, обладают рекордно высоким значением константы магнитной анизотропии, K = 5*107 эрг/см3, [7] Это позволяет поддерживать стабильность магнитного состояния частицы во времени и для частиц достаточно малого диаметра.

Действительно, для переброса магнитного момента частицы между двумя направлениями легкого намагничивания необходимо преодолеть энергетический барьер высоты

, где V есть объем наночастицы. Для предотвращения самопроизвольного переброса момента за счет тепловых флуктуаций в течение достаточно длительного времени (10 лет) необходимо выполнить жесткое условие KV > (50 – 70)kBT, [7] где T – температура окружающей среды, kB – постоянная Больцмана. С уменьшением диаметра частицы энергетический барьер быстро падает, но большое значение константы магнитной анизотропии частицы позволяет сохранять указанное неравенство и для частиц нанометровых размеров. К большому сожалению, выращенные методом самосборки частицы FePt [6] находятся в раз -ориентированном магнитном состоянии, когда атомы железа и платины занимают произвольные позиции в кристаллической решетке. А в этом случае, константа магнитной анизотропии вещества оказывается малой, на несколько порядков меньше указанного паспортного значения. Несмотря на значительные усилия по переводу частиц FePt в упорядоченное магнитное состояние с помощью отжига и других методов, эта принципиальная проблема до сих пор не решена. Вообще, проблема влияния на магнитное состояние малых частиц температурных флуктуаций их магнитных моментов известна как суперпарамагнитный предел [7], и все еще ждет своего разрешения.

Итак, температурные флуктуации магнитных моментов частиц приводят к значительным трудностям при создании магнитных носителей сверхплотной записи информации. В то же время, они оказываются весьма полезными для развития одного из интересных биомедицинских приложений магнитных наночастиц, а именно, метода магнитной гипертермии, предназначенного для лечения опасных онкологических заболеваний. Экспериментально доказано, [8] что поддержание температуры пораженного органа около 42°C в течении 20 – 30 мин. приводит к некрозу раковых клеток, более подверженных влиянию повышенной температуры, чем нормальные ткани. Многие ферромагнитные материалы способны поглощать энергию внешнего переменного магнитного поля и тем самым нагревать окружающие ткани. Однако, магнитные наночастицы имеют существенные преимущества для магнитной гипертермии, поскольку: а) ансамбли суперпарамагнитных наночастиц способны обеспечить чрезвычайно большие значения удельного поглощения энергии, порядка 1 кВт на грамм вещества; б) в силу малых размеров, наночастицы могут глубоко проникать в биологические материалы; в) наночастицы железных окислов нетоксичны, либо слабо токсичны, для живого организма, г) они обладают короткими сроками выведения из организма.

Как мы видели выше, магнитная наночастица является очень сильным природным магнитом, так как характерное поле перемагничивания даже магнито- мягкой частицы окисла железа при комнатной температуре достаточно велико, Hc(0) ~ 2K/Ms ~ 400 Э. Важно, однако, что величина энергетического барьера, разделяющего магнитные потенциальные ямы,

, уменьшается с уменьшением объема частицы, V ~ R3, и может сравниваться с характерной тепловой энергией kBT. В таком случае, из-за тепловых флуктуаций магнитного момента частица теряет среднюю постоянную намагниченность, становится суперпарамагнитной. Характерное время пребывания магнитного момента в заданной потенциальной яме (Неелевское время релаксации) оценивается как

, где константа

[9]. Время релаксации экспоненциально быстро уменьшается при уменьшении диаметра частицы. Как только

становится порядка или меньше характерного времени измерения магнитного момента

, средний по времени магнитный момент частицы оказывается равным нулю.

Но явление суперпарамагнетизма имеет и положительную сторону. Тепловые флуктуации, раскачивая магнитный момент частиц в потенциальной яме, эффективно понижают энергетический барьер и существенно уменьшают величину поля перемагничивания частицы. Поэтому ансамбль суперпарамагнитных частиц способен перемагничиваться во внешнем переменном магнитном поле умеренной амплитуды, H0 ~ 100 – 200 Э, что чрезвычайно важно для магнитной гипертермии, поскольку это упрощает условия создания переменного магнитного поля и удешевляет стоимость необходимого оборудования.

Как известно из термодинамики [1,2], интенсивность поглощения энергии переменного магнитного поля пропорциональна площади петли гистерезиса ансамбля магнитных наночастиц. В нашей группе были проведены теоретические расчеты низкочастотных петель гистерезиса разреженных ансамблей магнитных наночастиц различных типов [10,11], а также соответствующие экспериментальные измерения, выполненные по оригинальной методике [12, 13]. Теоретические расчеты показали существенную зависимость петель гистерезиса от частоты переменного магнитного поля как это показано на Рис. 4.

Рис. 4. Магнитные наночастицы способны эффективно дистанционно поглощать энергию переменного внешнего магнитного поля, и тем самым нагревать окружающую среду. Однако эта способность существенно зависит от частоты воздействия, и ряда других физических параметров.

Теоретический анализ показывает [10] (см. Рис. 5), что петли гистерезиса суперпарамагнитного ансамбля весьма резко зависят также от среднего диаметра частиц, если частицы неподвижно зафиксированы в окружающей немагнитной среде. Этот важный факт нашел подтверждение в ряде недавних экспериментов, хотя одновременно была продемонстрирована существенная зависимость удельного поглощения энергии от ряда других факторов, таких как влияние магнито- дипольного взаимодействия в плотных ансамблях магнитных наночастиц [12, 13].

Рис. 5. Теоретический расчет [] удельного поглощения энергии переменного магнитного поля разреженными ансамблями наночастиц кобальта (f = 500 кГц, H = 200 Э) и магнетита (f = 400 кГц, H = 120 Э) в зависимости от диаметра частиц.

Магнитная гипертермия, будучи локальным и дистанционным воздействием, по-видимому, не имеет столь серьезных побочных эффектов, как химио- или радиотерапия [8]. Представляется, что успешное развитие магнитной гипертермии будет зависеть от успешного решения нескольких проблем. Прежде всего, необходимо улучшить методики приготовления ансамблей наночастиц с достаточно большим удельным поглощением энергии в переменном магнитном поле умеренной амплитуды. Это позволит снизить дозу наночастиц, достаточную для достижения положительного лечебного эффекта. В идеале, было бы желательно научиться локально прогревать малые объемы тканей, чтобы подавлять на раннем этапе мелкие, весьма опасные новообразования. Далее, необходимо обеспечить создание переменного магнитного поля достаточной амплитуды, с необходимым пространственным распределением в заданной области тела, при разумных затратах на энергетику, гарантированной безопасности от поражения током, умеренной стоимости. Наконец, необходимо научиться контролировать само воздействие, подбирая амплитуду и частоту магнитного поля, магнитные и геометрические параметры наночастиц, время и периодичность воздействия, с учетом электродинамических и тепловых параметров среды. Весьма желательно также контролировать пространственное и временное распределение температуры в области воздействия. В настоящее время эти проблемы находятся в центре внимания исследователей различного профиля.

Литературные источники

[1] Г. С. Кринчик, Физика магнитных явлений (Москва, МГУ, 1985).
[2] С.В. Вонсовский, Магнетизм (Москва, Наука, 1972).
[3] L. Landau and E. Lifshitz, Phys. Z. Sowjetunion 8, 153 (1935).
[4] W.F. Brown, Jr., Micromagnetics (Wiley-Interscience, New York — London, 1963)
[5] N.A. Usov and J.W. Tucker. Material Science Forum 373-376, 429 (2001).
[6] S. Sun, C. B. Murray, D. Weller, L. Folks, and A. Moser, Science 287, 1989 (2000).
[7] D. Weller and A. Moser, IEEE Trans. Magn. 35, 4423 (1999).
[8] Q.A. Pankhurst, N.K.T. Thanh, S.K. Jones, J. Dobson, J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 224001 (2009).
[9] W.F. Brown, Jr., Phys. Rev. 130, 1677 (1963).
[10] N. A. Usov, J. Appl. Phys. 107, 123909 (2010).
[11] N.A. Usov, B.Ya. Liubimov, J. Appl. Phys. 112, 023901 (2012).
[12] S. A. Gudoshnikov, B. Ya. Liubimov, and N. A. Usov, AIP Advances 2, 012143 (2012)
[13] S.A. Gudoshnikov, B.Ya. Liubimov, A.V. Popova, N.A. Usov. J. Magn. Magn. Mater. 324, 3690 (2012)

Возврат к списку

Всего 8 комментариев

Комментарии к публикации экспертного мнения

Фёдор Сенатов 18.02.2016 19:29:51 Ссылка

Хочу поблагодарить Николая Александровича за рассказ о магнитных наночастицах и анализ сфер их применения. В частности, магнитная гипертермия - чрезвычайно интересная область для исследований. Описанный подход, заключающийся в разогреве тканей организма, содержащих раковые клетки, можно совмещать и с лекарственным воздействием, причем используя те же магнитные наночастицы как носители лекарств. Например, можно покрывать наночастицы полимером, насыщенным лекарственным веществом, а затем вводить в заданное место организма. Нагрев наночастиц будет вызывать термодеструкцию полимерного носителя и высвобождение лекарственного вещества.
Таким образом, как это отметил Николай Александрович, магнитные наночастицы - это очень перспективная междисциплинарная область, находящаяся в центре внимания.

Эту реплику поддерживают: Уваров Роман, Кирилл Няза , Антон Наливайко
Алексей Труханов 25.02.2016 11:31:09 Ссылка

Во-первых, хотелось бы поблагодарить Николая Александровича за такой увлекательный обзор в области магнитных наночастиц. Приведены интересные данные, объясняющие природу магнетизма в системах с пониженной размерностью. Действительно, ферромагнитные материалы являются уникальными и сложными объектами для однозначной интерпретации физических процессов, происходящих в них под воздействием внешних воздействий (термические и барические воздействия, внешние магнитные и даже электрические поля). Следует отметить, что при анализе магнитных свойств наноматериалов по-мимо интерпретации макроскопических свойств (намагниченность, коэрцитивная сила, частота магнитного резонанса и т.п.) следует детально рассматривать кристаллическое строение и магнитную структуру на микроуровне.

Однако, несомненным остается тот факт, что ферромагнетики широко используются на практике. Гипертермия - одна из перспективнейших областей применения наноразмерных ферромагнетиков. По-мимо адресной доставки "активных наночастиц" в ткани-мишени, существует возможность использовать термоэффекты во внешних переменных магнитных полях. Однако на сегодняшний момент есть 3 наиболее проблемные задачи в гипертермии -

1. Стабилизация магнитных наночастиц (препятствие к их агрегации) - что может быть решено путем "одевания" магнетиков в органические оболочки;
2. - проведение исследовательских работ по оценке токсичности и неблагоприятному воздействию наноматериалов на клетки организма и
3. выведение наночастиц из организма.

В целом я очень впечатлен опубликованным материалом. Все четко и подробно изложено. Еще раз, огромное спасибо автору за эту статью.

Эту реплику поддерживают: Фёдор Сенатов, Игорь Ларионов
Антон Наливайко 26.02.2016 12:13:58 Ссылка

Благодарю автора за интересно изложенный материал!
Очень заинтересовала идея, связанная с хранением информации с помощью однодоменных магнитных наночастиц и их магнитного момента. Не смотря на то, что в статье описаны основные преграды, стоящие перед физической реализацией данного замысла, хотелось бы уточнить у Николая Александровича - проводятся ли в настоящие время какие-либо прикладные исследования, конкретно направленные на создание описанной системы, в рамках России и других стран?

Эту реплику поддерживают: Андрей Игнатов, Башарин Алексей, Игорь Ларионов
- Башарин Алексей → Антон Наливайко 02.03.2016 12:02:19 Ссылка
  
  Присоединюсь ко всем участникам дискуссии и благодарю Николая Александровича за столь методичный и понятный материал.
  Сложность магнитной записи связанная с возбуждением магнитного момента ограничивается как сложностью создания идентичных нано-ферромагнитных частиц, но также еще тем, что линии магнитного поля в пределах каждой частицы замкнуты и поле сильно локализовано в ней. Поэтому не понятно как воздействовать на отдельные частицы. Тем не менее есть ряд работ, в которых авторы демонстрируют такие композиты, но не уточняют способы работы с отдельными элементами памяти.
  
  1. Ivan I. Naumov, L. Bellaiche & Huaxiang Fu, Unusual phase transitions in ferroelectric nanodisks and nanorods, Nature 432, 737-740 (2004)
  
  2. M Kläui, C A F Vaz, L Lopez-Diaz and J A C Bland, Vortex formation in narrow ferromagnetic rings,
  Journal of Physics: Condensed Matter, Volume 15, Number 21 (2003)
  
  Эту реплику поддерживают: Уваров Роман, Антон Наливайко
Максим Иванов 28.02.2016 11:27:37 Ссылка

Хочется выразить свои слова благодарности Николаю Александровичу за столь увлекательную статью. Очень интересна область применения магнитных наночастиц в биомедицине, а именно в адресной доставке лекарственных средств. На мой взгляд, данная сфера применения магнитных наночастиц является весьма перспективной. Известно, что потенциал магнитных наночастиц возникает за счет наличия у их магнитных ядер внутренних свойств, которые сочетаются с возможностью лекарственной нагрузки и теми биохимическими свойствами, которыми их можно наделить с помощью подходящего покрытия. Хотелось бы уточнить у автора, какие есть на сегодняшний день проблемы, а также последние достижения в разработке магнитных наночастиц для поставки действующего вещества лекарственного препарата? Ведутся ли работы по разработке этих материалов для биомедицины непосредственно в Российской Федерации?

Эту реплику поддерживают: Андрей Игнатов, Вячеслав Пак
Андрей Игнатов 01.03.2016 15:14:32 Ссылка

Вектор развития современных исследований в области нанообъектов, имеет большой объем научного потенциала в практической области. Николаем Александровичем проведена серьезная работа по обзору научных исследований по магнитным наночастицам. Немаловажным является и то, что Николай Александрович подчеркивает о необходимости и важности данного направления (перспективна их использования в лечение онкологии и адресной доставки лекарств, позволит в ближайшем будущем решить многие ранее не излечимые заболевания), и сложности, с которыми сталкиваются современные ученые в процессе исследования нанообъектов.
Хочу поблагодарить Николая Александровича за интереснейшую статью, и особенно приятно, что такого уровня ученые работают и трудятся в нашем Университете.

Эту реплику поддерживают: Максим Иванов
Вячеслав Пак 01.03.2016 20:08:54 Ссылка

Для начала хочу поблагодарить Николая Александровича за представленный материал!
Меня очень заинтересовал описанный в данной статье метод магнитной гипертермии ввиду актуальной в настоящее время проблемы лечения онкозаболеваний. Поэтому хотелось бы попросить Николая Александровича оценить дальнейшие перспективы этого метода и его эффективность в лечении онкозаболеваний, а также узнать, перешел ли в настоящее время данный метод из экспериментальной стадии в клиническую? Спасибо!

Эту реплику поддерживают:
Усов Николай А. 14.03.2016 09:03:35 Ссылка

Уважаемые коллеги,

Спасибо за положительные отзывы на мою лекцию. Магнетизм – это
действительно одно из самых интересных и сложных кооперативных явлений в
физике конденсированного состояния вещества. Как отмечалось в лекции,
это связано с дальнодействующим характером магнито- дипольного
взаимодействия и нелинейностью уравнений, которые описывают
распределение магнитного момента в ферромагнитном теле. Поэтому
детальное описание многих явлений в ферромагнетиках задержалось на
долгие десятилетия со времени создания квантовой механики в 20-х годах
прошлого столетия, и последующего осознания квантово-механической
природы магнетизма вообще, и ферромагнетизма в частности. Только с
развитием современных компьютеров, и разработкой высоко производительных
программ компьютерного моделирования, теоретическое описание явлений в
ансамблях ферромагнитных частиц существенно продвинулось вперед.

В настоящий момент многие важные проблемы решены. Например, построена
детальная теория вихревых состояний в не-однодоменных магнитных
наночастицах, достигнуто достаточно подробное описание разреженных
ансамблей суперпарамагнитных наночастиц, свойства которых определяются
тепловыми флуктуациями магнитных моментов частиц. Но еще достаточно
теоретических проблем, которые ждут исчерпывающего решения. Одна из
самых важных проблем – это влияние магнито- дипольного взаимодействия на
свойства плотных ансамблей наночастиц. Далее, это свойства наночастиц
комбинированного типа, которые состоят из ферромагнитного ядра и
антиферромагнитной оболочки. Такие частицы встречаются в природе
достаточно часто. Вообще, поверхность малой частицы, ферромагнитного
нанопровода, или тонкой ферромагнитной пленки часто оказывает
существенное влияние на свойства этих объектов. Влияние поверхности
описывается в ферромагнетизме поверхностной анизотропией, природа
которой слабо изучена. Это сложное явление требует развития специального
теоретического аппарата. Очень интересно и недостаточно понято поведение
ансамбля магнитных наночастиц в вязкой жидкости, в биосредах. Таким
образом, в области магнетизма есть важные задачи, которые еще ждут
своего исследователя. И тот, кто погрузится в этот увлекательный мир и
поймет, как интересно он устроен – не пожалеет о потраченных усилиях и
времени.

Я рассуждаю о теоретических исследованиях, потому что сейчас
теоретическое исследование доступно, в принципе, каждому студенту, у
которого есть приличный персональный компьютер. В умелых руках – это
мощная сила. Кроме того, перед нами лежит огромный мир научных статей и
обзоров, плохих и хороших, тривиальных и трудных для понимания, из
чтения которых видно, как много еще вокруг непонятного, противоречивого
и загадочного. Достаточно лишь войти в Интернет и погрузится в этот
бурный поток информации.

Коль скоро у нас есть компьютер и Интернет, то заниматься теоретической
наукой может каждый желающий. А вот экспериментальные исследования – это
дело дорогое. Нужны дорогостоящие приборы и специальное уникальное
научное оборудование. Про то, что в Российских лабораториях очень мало
современного оборудования, что финансирование научных исследований
крайне ограничено, уже знает каждый прохожий на улице. Поэтому на вопрос
о том, занимаются ли у нас, скажем, биомедицинскими применениями
магнитных наночастиц, ответ такой – занимаются, но совершенно
недостаточно. Возможно, недалеко то время, когда мы будем ездить в
Германию, чтобы (не дай бог!) лечить заболевания с помощью магнитной
гипертермии.

Эту реплику поддерживают: Антон Наливайко, Уваров Роман