Магнитотвердые наноматериалы.

Ответ:

Магнитные  материалы
Получение
Магнитные наноматериалы получают путем создания нанокомпозитов с использованием магнитных наночастиц и путем напыления магнитных пленок из наночастиц на подложку. Наноматериалы обладающие гиганстким магнетосопротивлением получают путем растворения магнитных нанокластеров одного металла в матрице другого металла, который обладающего хорошей проводимостью.

Назначение
Магнитные наноматериалы применяют для получения магнитотвердых материалов, которые отличаются большой удельной энергией, тем большей, чем больше остаточная индукция Br и коэрцитивная сила Нс материала. К магнитотвердым относят материалы с Нс>4 кА/м. Магнитотвердые материалы используются главным образом для постоянных магнитов.
В области магнитной записи наноматериалы используются для повышения плотности хранения информации путем уменьшения площади бита – очень малой области магнитного носителя намагниченного в определенном направлении
Эффект гигантского магнетосопротивления наноматериалов применяется в различных датчиках и считывающих устройствах.
Так же магнинтные частицы находят широкое применение в медицине. Так, например, магнитные частицы применяются в качестве магнитных контрастных веществ при магнитно-резонансной томографии, гипертермических веществ, в которых магнитные частицы селективно нагреваются за счет использования высокочастотного магнитного поля. (например, при термической гипертермии опухолей.
Ферромагнитные жидкости находят применение в изготовлении качественно новых дисплеев, создании кратковременного сцепления между феерромагнитными деталями, герметизации вращающихся деталей, создании дифракционных решеток с регулируемым периодом т.д.

Принцип действия через нано, особенности
При получении сильных магнитотвердых наноматериалов используется то свойство, что при уменьшении частицы и достижении некоторого критического размера, она становится однодоменной, что сопровождается увеличением коэрцитивной силы Нс до максимума.
Механизмом перемагничивания однодоменной частицы становится когерентное вращение магнитных моментов в частице, в отличие от простого роста доменов с направлениями магнитного момента, совпадающими с полем, в макровеществе. В то же время тепловые флуктуации магнитного момента минимальны по сравнению с флуктуациями при меньших диаметрах молекулы.

Эти два условия и обуславливают максимум коэрцитивной силы.

Для достижения большей плотности записи данных на магнитные носители уменьшают размер самого бита. Это приводит (при переходе к наноразмерным битам) к тепловым флуктуациям магнитного момента и соответственно к вероятности изменения направления магнитного момента и потери данных. Для предотвращения этого используют частицы с большими значениями намагниченности насыщения. В таких частицах потенциальный барьер, который необходимо преодолеть для изменения магнитного момента Eп=KV намного выше тепловой энергии Eт=kT. В результате вероятность изменения направления магнитного момента (преодоление им потенциального барьера) снижается до приемлемого уровня.
Так же при имеет место взаимное влияние магнитных моментов между битами, что приводит к взаимной переориентации магнитных моментов. Поэтому наноразмерные кластеры размещают на расстоянии, обеспечивающим минимально допустимое магнитное взаимодействие, не приводящее к ощутимой взаимной ориентации магнитных моментов частиц.

Эффект гигантского магнетосопротивления основан на том, что относительная ориентация магнитных моментов магнитных кластеров влияет на скорость рассеяния электронов проводимости с определенной ориентацией спина (вверх или вниз) и соответственно на сопротивление, при этом электроны проводимости должны рассеиваться магнитными кластерами прежде чем поменяют направление спина т.е. произойдет релаксация спина. То есть, если разделить электронный ток на составляющие с разной поляризацией спина, то рассеяние (и соответственно сопротивление) на магнитной частице, соответствующим образом ориентированной магнитным полем для каждой составляющей будет различно (большее рассеивание происходит при противоположной ориентации) Эффект возрастает с понижением температуры. В результате, при воздействии на материал магнитным полем направления магнитных моментов кластеров изменяются и соответственно изменяется сопротивление.
Так же эффект гигантского магнетосопротивления имеет место в керамике в температурной области перехода из ферромагнитного (полупроводникового) в парамагнитное (металлическое) состояние.

В магнитно-резонансной томографии применяются магнитные наночастицы которые легко поглощаются определенными тканями. В последствии, томограф настраивают на частоту резонанса этих частиц и они выступают с помощью маркеров, содержащихся лишь в определенном месте.
Использование магнитных наночастиц в лечении раковых заболеваний связано с тем, что выравнивание магнитных частиц в магнитном поле приводит к истиранию и повреждению клеточных мембран раковых клеток. Избирательность наночастиц обеспечивают обособленные пептидные группы имитирующие гормоны.

Ферромагнитные жидкости представляют из себя коллоидный раствор состоящий из наноразмерных магнитных частиц нанометрового размера покрытых ПАВ для предотвращения их агрегации. При наложении магнитного поля частицы начинают выстраиватся в цепочки параллельные полю. Чем больше прикладывается поле, тем более упорядоченную структуру образуют частицы. В итоге такую систему можно использовать в качестве ультратонких качественно новых дисплеев

.
При образовании упорядоченной структуры происходит переход вещества из жидкого в твердое состояние, так как магнитные силы начинают преобладать над тепловым движением. Это свойство используется для создания временного сцепления между ферромагнитными двигающимися деталями, так же для гермитизации люфта между вращающейся деталью и корпусом.

При помещении тонкой пленки такой жидкости в сильное постоянное магнитное поле направленное перпендикулярно пленке частицы связанные в цепочки образуют двумерную гексагональную решетку. Если незначительно менять поле, то будет меняться период решетки. В результате имеем дифракционную решетку с управляемым периодом.

Характерным примером особого проявления магнитных свойств нанокристаллов является изменение магнитной восприимчивости и коэрцитивной силы с уменьшением размера нанокристаллов.

Магнитная восприимчивость χ устанавливает соотношение между намагниченностью M, характеризующей магнитное состояние вещества в магнитном поле и представляющей собой векторную сумму магнитных моментов элементарных носителей магнетизма в единице объема, и напряженностью намагничивающего поля H (M = χ H). Значение χ и характер ее зависимости от напряженности магнитного поля и температуры служат критериями для разделения веществ по магнитным свойствам на диа-,пара-,ферро- и антиферромагнетики, а также ферримагнетики. С учетом этого обстоятельства влияние размера на магнитную восприимчивость может быть различным для нанокристаллов разных типов магнитных веществ. Например, уменьшение размеров нанокристаллов от 1000 до 1 нм приводит к росту диамагнетизма в случае Se и к падению парамагнетизма в случае.

Коэрцитивная сила является важной характеристикой кривой намагничивания, численно равной напряженности поля H с, которое необходимо приложить в направлении, обратном направлению намагничивающего поля, чтобы снять остаточную намагниченность. Величиной H с определяется ширина петли магнитного гистерезиса, образующейся при прохождении полного цикла намагничивания – размагничивания, с учетом которой различают магнитные материалы подразделяются намагнитно-твердые (с широкой петлей гистерезиса, трудно перемагничиваются) и магнитно-мягкие (с узкой петлей гистерезиса, легко перемагничиваются). Результаты исследований ферромагнитных нанокристаллов ряда веществ показывают, что коэрцитивная сила растет при уменьшении нанокристаллов до некоторого критического размера. В частности, максимальные значения H с достигаются для нанокристаллов Fe, Ni и Cu со средними диаметром 20-25,50-70 и 20 нм соответственно.

55. Нанокристалы, нанопленки.