Ученые из МФТИ и МГУ методом импульсной лазерной абляции тонких пленок кобальта (толщиной от 5 до 500 нм) синтезировали магнитные наночастицы и изучили их свойства. Ранее подобные эксперименты проводились только для немагнитных материалов. Результаты исследований опубликованы в журнале «Известия РАН. Серия физическая» и могут поспособствовать развитию нанотехнологий и расширению сферы их применения в различных отраслях, включая медицину.
Среди ферромагнетиков — веществ, обладающих намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля — особый интерес представляют оксиды кобальта и железа. Они востребованы во многих отраслях промышленности благодаря дешевизне, высокой магнитной восприимчивости и ряду других уникальных свойств. Особо следует отметить магнитные наночастицы на основе этих металлов, так как их использование в медицине открывает новые возможности для лечения онкологических заболеваний.
Эффективность лечения зависит от способности наночастиц проникать в ткани и клетки организма. Это, в свою очередь, определяется размером, формой и строением наночастиц. Известные сегодня методы синтеза позволяют регулировать перечисленные параметры наночастиц в той или иной степени. Одним из наиболее перспективных является метод импульсной лазерной абляции. Он реализуется путем удаления вещества с поверхности твердого тела лазерными импульсами. С помощью подбора параметров лазерного импульса: энергии, частоты и длительности, можно достичь нужного размера и формы наночастиц и при этом не загрязнить их примесями.
Ученые из МФТИ и МГУ методом импульсной лазерной абляции тонких пленок кобальта (толщиной от 5 до 500 нм) синтезировали магнитные наночастицы и изучили их свойства. Ранее подобные эксперименты проводились только для немагнитных материалов.
Пленки кобальта осаждали путем магнетронного распыления на предметных стеклах. Под магнетронным распылением понимают испускание атомов поверхностью катода в ходе его бомбардировки положительно заряженными или нейтральными частицами в диодном газовом разряде. В данных опытах распыление осуществлялось в атмосфере аргона при постоянном токе и высоком вакууме. Для синтеза наночастиц мишень, то есть пленку кобальта, погружали в кювету с дистиллированной водой на глубину 2 мм и воздействовали на нее лазером, установив следующий режим работы: длина волны — 1064 нм, длительность импульса — 34 пс, энергия и частота импульсов — 5 мДж и 10 Гц, соответственно.
В результате ученые получили серо-бурую взвесь наночастиц в воде (Рисунок 1а). Затем к пробирке со взвесью они поднесли постоянные магниты. Частицы кобальта притягивались к магнитам и сосредотачивались у внутренней стенки пробирки (Рисунок 1б). Используя вибрационный магнитометр, ученые определили, что при комнатной температуре намагниченность насыщения и остаточная намагниченность составляет 10,4 ± 1,0 и – 3,6 ± 0,3 А ∙ м2 / кг соответственно.
«Частицы демонстрируют выраженный магнитный отклик во внешнем поле и характеризуются ферромагнитной петлей гистерезиса», — поясняет Вячеслав Нестеров, младший научный сотрудник лаборатории оптики ультрахолодных атомных систем и функциональных материалов МФТИ.
Рисунок 1. Фотографии пробирки объемом 1,5 мл, содержащей взвесь наночастиц в воде в отсутствие (а) и присутствии (б) магнитного поля. Взвесь получена методом лазерной абляции пленки кобальта толщиной 500 нм. Цилиндрические шайбы — постоянные магниты. На стенках пробирки (б) справа видны серебристо-серые пятна. Источник: журнал «Известия РАН. Серия физическая».
С помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) установлено, что частицы, полученные при использовании в качестве мишеней пленок толщиной более 35 нм, представляют собой преимущественно сферические агломераты размером около 100 нм. Эти агломераты образованы более мелкими фрагментами (Рисунок 2). Под растровой электронной микроскопией понимают метод формирования увеличенного изображения исследуемого объекта за счет регистрации сигналов, возникающих при подаче на объект пучка электронов, сфокусированных электромагнитным полем. Исследование химического состава показало наличие двойного оксида кобальта Co3O4 в полученных частицах.
Рисунок 2. РЭМ-изображение наночастиц, полученных методом лазерной абляции пленки кобальта толщиной 250 нм. Источник: журнал «Известия РАН. Серия физическая».
«Мы работали с пленками кобальта толщиной от 5 до 500 нм и обнаружили, что зависимость среднего размера получаемых частиц от толщины пленки является немонотонной, — говорит Вячеслав Нестеров. — При толщинах пленки 35-500 нм средний размер частиц существенно не меняется и составляет 70-100 нм, при толщинах менее 35 нм наблюдается резкое увеличение среднего размера до 1 мкм с последующим спадом до 150 нм».
Ученые установили, что при проникновении излучения в металл оно локализуется иначе на толщинах до 40 нм, а именно тепло от поглощенного излучения сильнее «растекается» в плоскости поверхности. Если же пленка становится толще, то заметную роль начинает играть проникновение тепла вглубь пленки (до 400 нм). В результате возникают различия в пространственном распределении температуры и протекании абляции. Еще один практически значимый результат работы в том, что в процессе абляции пленки толщиной менее 35 нм образуются наночастицы примерно одного размера. Дисперсия, то есть показатель разброса данных, не превышает 20%.
Достигнутые учеными результаты могут поспособствовать развитию нанотехнологий и расширению сферы их применения в различных отраслях, включая медицину. В частности, магнитные наночастицы могут использоваться для адресной доставки лекарств или в биосенсорике.
