Μαγνητική Υπερθερμία:

Transcript

1 Διπλωματική εργασία του Mπακογλίδη Κωνσταντίνου Μαγνητική Υπερθερμία: Επίδραση δομικών και μαγνητικών χαρακτηριστικών στη θερμική απόκριση μαγνητικών νανοσωματιδίων Θεσσαλονίκη 211

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 3 SUMMARY... 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο : ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΝΑΝΟΚΛΙΜΑΚΑ Ο FE ΣΕ ΜΟΡΦΗ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ ΧΡΗΣΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ FE-ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ FE MΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ-ΟΡΙΣΜΟΙ-ΚΡΙΣΙΜΑ ΜΕΓΕΘΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ... 7 σελ. 2 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

3 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η μαγνητική υπερθερμία είναι μια υποσχόμενη μέθοδος θεραπείας του καρκίνου, η οποία προς το παρόν εφαρμόζεται σε συνδυασμό με άλλες θεραπείες, όπως η χημειοθεραπεία και η ραδιοθεραπεία. Είναι μια μέθοδος υπερθέρμανσης των καρκινικών κυττάρων, όπου προκαλείται ένα έντονο τοπικό θερμικό σοκ που οδηγεί ένα σημαντικό ποσοστό τους στον θάνατο. Η χρήση της γίνεται μετά την ανάπτυξη πολλών νέων υλικών τη σημερινή εποχή, με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και δυνατότητες, όπως είναι τα μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου, (όπως ο μαγνητίτης(fe 3 O 4 ) και ο μαγκεμίτης (γ-fe 2 O 3 )). Νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου χρησιμοποιήθηκαν για τα πειράματα που παρουσιάζονται στο παρόν πόνημα, με σκοπό να ταξινομηθούν τα υλικά και να αναζητηθεί το πλέον καταλληλότερο σύστημα μαγνητικών νανοσωματιδίων για μαγνητική υπερθερμία. Τα νανοσωματίδια σιδήρου με πολύ μικρά μεγέθη (< 5 nm) τείνουν να είναι υπερπαραμαγνητικά και καθίστανται κατάλληλα για την μαγνητική υπερθερμία, λόγω τις ιδιότητάς τους να εκλύουν θερμότητα μετά από έκθεσή τους σε εξωτερικό εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Στο πείραμα που επιχειρείται, εξετάζονται διαλύματα νανοσωματιδίων με διαφορετικό μέγεθος, Σχήμα και συγκέντρωση, αλλά ως ακολούθως και με διαφορετικά μαγνητικά χαρακτηριστικά, τα οποία προέκυψαν με τη μέθοδο της θερμικής αποικοδόμησης. Σκοπός είναι να καθοριστούν τα δομικά και μαγνητικά χαρακτηριστικά του κάθε συστήματος και να προκύψει το καταλληλότερο σύστημα για χρήση στη μαγνητική υπερθερμία. Πιο συγκεκριμένα εξετάζονται η επίδραση του μαγνητικού πεδίου, της συγκέντρωσης και του μεγέθους στη θερμική απόκριση των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Άξιο αναφοράς, είναι ένα πολύ σημαντικό μέγεθος που εξετάζεται, ο ειδικός ρυθμός απορρόφησης (SAR) της θερμότητας από τους ιστούς, του οποίου τα αποτελέσματα είναι καθοριστικά για την επιλογή του συστήματος. Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 3

4 SUMMARY Magnetic Hyperthermia is a very promising cure method of cancer, which is performed nowadays in combination with other methods such as chemotherapy and/or radiotherapy. It is a method based on cancer cell local but intense overheating, causing their death and tissue release from the tumor. The use of this method recently reinforced when the systematic synthesis and growth of a variety of new materials, with special characteristics and potentials, was established, such as magnetic iron-oxide nanoparticles (magnetite γ-fe 2 O 3 and magnetite Fe 3 O 4 ). These species of nanoparticles were used for the experiments of this thesis and there is an attempt to obtain the most suitable system of magnetic nanoparticles for magnetic hyperthermia. The iron-oxide nanoparticles with very small sizes (< 5 nm) tend to be superparamagnetic and they are suitable for using in magnetic hyperthermia, due to their property to release heat when an external alternative magnetic field is applied. Several samples with different size, shape, concentration and magnetic characteristics are measured. The target is to determine the structural and magnetic characteristics of such a system and to correlate these features with the heating efficacy in order to find the most suitable system of magnetic nanoparticles for hyperthermia. More precisely, there is examination of the effect of magnetic field, concentration and size on the thermal response of magnetic nanoparticles. Another significant factor under study is the Specific Absorption Rate (SAR), whose results determine the choice of the nanoparticles system. σελ. 4 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

5 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΕΣ 1.1. ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Οι μαγνήτες συμβατικών διαστάσεων αποτελούνται από ένα μεγάλο αριθμό μαγνητικών περιοχών (magnet domains), οι οποίες διατάσσονται έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθεί η μαγνητοστατική ενέργεια του υλικού. Μια σχηματική αναπαράσταση μιας απλοποιημένης διάταξης μαγνητικής περιοχής φαίνεται στο Σχήμα 1(α). Γι αυτό το λόγο η μικροδομή των συμβατικών μαγνητικών υλικών παίζει σημαντικό ρόλο στον καθορισμό των μαγνητικών ιδιοτήτων. Καθώς το μέγεθος του σωματιδίου μειώνεται και φτάνει στη νανοκλίμακα, το μέγεθος του σωματιδίου και το μήκος ανταλλαγής (exchange length) συγκλίνουν επιτρέποντας στις καταστάσεις μιας περιοχής να σταθεροποιηθούν όπως διακρίνεται στο Σχήμα 1.(β). Ο μαγνητισμός, άρα και οι μαγνητικές ιδιότητες των νανοσωματιδίων υπαγορεύονται κυρίως από τις ενδογενείς ιδιότητες ενός υλικού, όπως η ανισοτροπία και η μαγνήτιση κόρου. Σχήμα 1. Σχηματική αναπαράσταση της διάταξης των μαγνητικών περιοχών (magnetic domains) για σιδηρομαγνήτες (a) πολλών περιοχών (multi-domain) και (b) μιας περιοχής (single domain) [Selmer & Skomski, 26]. Η μετάβαση από τις πολλές μαγνητικές περιοχές στην μονή περιοχή, γίνεται πολύ εμφανής όταν το συνεκτικό πεδίο καταγραφεί σαν συνάρτηση του μεγέθους των σωματιδίων όπως είναι φανερό στο Σχήμα 2. Για μεγάλα μεγέθη, τα σωματίδια είναι πολλών περιοχών και πλησιάζουν ταbulkυλικά καθώς αυξάνεται το μέγεθος. Ο μηχανισμός της αντιστροφής της μαγνήτισης είναι η πυρηνοποίηση τοιχωμάτων των περιοχών και η κίνησή τους όσον αφορά στα υλικά πολλών περιοχών (περίπτωση multidomain). Καθώς το μέγεθος των σωματιδίων ελαττώνεται, η αύξηση Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 5

6 Κεφάλαιο 1 ο : Μαγνητικές Νανοδομές της ενέργειας λόγω του σχηματισμού του τοιχώματος της περιοχής, επικρατεί της μείωσης της ενέργειας που αποδίδεται στο σχηματισμό των περιοχών. Έτσι κάτω από ένα κρίσιμο μέγεθος σωματιδίων, τα τοιχώματα των περιοχών δε θα σχηματίζονται πλέον και τα σωματίδια μονών περιοχών θα είναι σταθερά. Αυτό το κρίσιμο μέγεθος ανταποκρίνεται στην κορυφή του συνεκτικού πεδίου στο Σχήμα 2. Η θέση της κορυφής στον άξονα του μεγέθους του σωματιδίου εξαρτάται από τις τιμές της ανισοτροπίας και της μαγνήτισης. Κάτω από το μέγιστο του συνεκτικού πεδίου, τα σωματίδια παραμένουν σταθερά, μέχρι η επίδραση της θερμοκρασίας να καταστρέψει τη σιδηρομαγνητική τάξη. Τότε τα σωματίδια γίνονται υπερπαραμαγνητικά (superparamagnetic). Το κρίσιμο μέγεθος των υπερπαραμαγνητικών σωματιδίων εξαρτάται ισχυρά από τη μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία του υλικού. Σχήμα.2.Το συνεκτικό πεδίο ως συνάρτηση του μεγέθους των σωματιδίων [Selmer&Skomski, 26]. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια βρίσκονται στο επίκεντρο των ερευνών για μια μεγάλη σειρά εφαρμογών, όπως τα μαγνητικά ρευστά, η κατάλυση, η βιοτεχνολογία/βιοϊατρική, η μαγνητική απεικόνιση, η αποθήκευση δεδομένων και η περιβαλλοντική αποκατάσταση. Καθώς έχει αναπτυχθεί ένας μεγάλος αριθμός κατάλληλων μεθόδων για τη σύνθεση των νανοσωματιδίων για ποικίλες διαφορετικές συστάσεις, πολλές από τις παραπάνω εφαρμογές στηρίζονται στη σταθερότητα των σωματιδίων, υπό την επίδραση διαφορετικών συνθηκών. Στις περισσότερες εφαρμογές, τα σωματίδια αποδίδουν καλύτερα όταν το μέγεθος τους είναι κάτω από μια κρίσιμη τιμή, η οποία εξαρτάται από το υλικό αλλά βρίσκεται συνήθως στην περιοχή 1-2 nm. Σε αυτή την περιοχή τιμών, τα νανοσωματίδια γίνονται μονής περιοχής μαγνητικά νανοσωματίδια και εμφανίζουν υπερπαραμαγνητική συμπεριφορά -όπως εξηγήθηκε παραπάνωόταν η θερμοκρασία βρίσκεται πάνω από τη λεγόμενη θερμοκρασία μπλοκαρίσματος (blocking temperature). Έτσι ξεχωριστά νανοσωματίδια έχουν μια μεγάλη τιμή μαγνητικής ροπής και συμπεριφέρονται το καθένα ξεχωριστά, ως ένα γιγαντιαίο παραμαγνητικό άτομο, με γρήγορες σελ. 6 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

7 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ αντιδράσεις σε εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο, με αμελητέα παραμένουσα μαγνήτιση και συνεκτικό πεδίο. Αυτά τα στοιχεία καθιστούν τα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια πολύ ελκυστικά για μια μεγάλη σειρά βιοϊατρικών εφαρμογών, επειδή ο κίνδυνος σχηματισμού συσσωματωμάτων σε θερμοκρασία δωματίου είναι αμελητέος. Παρ όλα αυτά, ένα αναπόφευκτο πρόβλημα το οποίο σχετίζεται με τα σωματίδια τέτοιων μεγεθών είναι η εγγενής αποσταθεροποίησή τους για μεγάλα χρονικά διαστήματα χρήσης. Ως μικρά σωματίδια τείνουν να σχηματίσουν συσσωματώματα για να μειώσουν την ενέργεια που σχετίζεται με τον υψηλό λόγο επιφανείας/όγκου των σωματιδίων νανοδιαστάσεων. Ακόμη, τα απογυμνωμένα μεταλλικά νανοσωματίδια είναι χημικώς πολύ ενεργά και οξειδώνονται εύκολα στον αέρα με αποτέλεσμα την απώλεια του μαγνητισμού τους και της διασποράς τους. Για πολλές εφαρμογές, επομένως, είναι κρίσιμο να αναπτυχθούν τρόποι προστασίας και στρατηγικές για τη χημική σταθεροποίηση κατά τη διάρκεια της σύνθεσης ή ακόμα και μετά τη σύνθεση. Τέτοιες στρατηγικές είναι για παράδειγμα η επικάλυψη με οργανικά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων επιφανειοδραστικών ή πολυμερών, ή επικαλύψεις με κάποιο μη οργανικό στρώμα από πυρίτιο ή άνθρακα. Σε πολλές περιπτώσεις οι επικαλύψεις σταθεροποιούν τα νανοσωματίδια αλλά επίσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για περαιτέρω διαχείριση και αλλαγή των λειτουργικών χαρακτηριστικών των νανοσωματιδίων. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια είναι σημαντικοί υποψήφιοι για βιοϊατρικές εφαρμογές για πολλούς λόγους και δίνουν πολύ ελκυστικές δυνατότητες και πιθανότητες επιτυχίας στη βιοτεχνολογία. Αρχικά, έχοντας μεγέθη, συγκρίσιμα απευθείας με τα μεγέθη των ιών (2-5 nm), των πρωτεϊνών (5-5 nm) ή ενός γονιδίου (πλάτους 2 nm και μήκους1-1nm) μπορούν να πλησιάσουν κάποια βιολογική περιοχή ενδιαφέροντος χωρίς να την καταστρέψουν. Δεύτερον, τα νανοσωματίδια είναι μαγνητικά, το οποίο σημαίνει ότι υπακούουν στο νόμο Coulombκαι μπορούν να δεχθούν την επίδραση ενός εξωτερικά εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Αυτή η δράση από απόσταση συνδυάζεται με την εν γένει διαπερατότητα των μαγνητικών πεδίων στους ανθρώπινους ιστούς, ανοίγοντας το δρόμο για πολλές εφαρμογές, όπως η μεταφορά ή/και η ακινητοποίηση των μαγνητικών νανοσωματιδίων ή η μαγνητική παρακολούθηση βιολογικών ιστών και οργάνων. Με αυτό τον τρόπο μπορούν να κατασκευαστούν νανοσωματίδια για να μεταφέρουν ένα πακέτο, όπως ένα αντικαρκινικό φάρμακο, ή μια ομάδα από ραδιονουκλίδια σε μια στοχευόμενη περιοχή του σώματος, όπως είναι ένας καρκινικός όγκος. Τρίτον, τα μαγνητικά νανοσωματίδια μπορούν να κατασκευαστούν έτσι ώστε να ανταποκρίνονται σε χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, με πολύ πλεονεκτικά αποτελέσματα που σχετίζονται με τη Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 7

8 Κεφάλαιο 1 ο : Μαγνητικές Νανοδομές μεταφορά ενέργειας από το διεγερμένο πεδίο στα νανοσωματίδια. Για παράδειγμα, είναι δυνατό, τα σωματίδια να κατασκευαστούν ώστε να θερμαίνουν και αυτό οδηγεί στη χρησιμοποίησή τους στη μαγνητική υπερθερμία, παραδίδοντας τοξικά ποσά θερμικής ενέργειας σε ιστούς-στόχους, όπως είναι οι όγκοι -τα καρκινικά κύτταρα. Αυτές και πολλές άλλες εφαρμογές με μεγάλες δυνατότητες, έγιναν εφικτές στην βιοϊατρική ως αποτέλεσμα των ειδικών φυσικών ιδιοτήτων των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Ένα μαγνητικό υλικό, που χρησιμοποιείται κατά κόρον στην παρασκευή και χρήση μαγνητικών νανοσωματιδίων είναι ο σίδηρος, το οποίο επιπροσθέτως βρίσκεται σε αφθονία στη φύση και μπορεί εύκολα να εξορυχτεί και να κατεργαστεί. Υπάρχουν πολλοί λόγοι για το μεγάλο ενδιαφέρον όσον αφορά στα νανοσωματίδια σιδήρου. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια γενικά, βρίσκονται σε ανιούσα πορεία όσον αφορά στις έρευνες τη σημερινή εποχή και ο σίδηρος βρίσκεται ανάμεσα στα πιο χρήσιμα μαγνητικά υλικά. Ο πίνακας 1 δείχνει μερικές από τις ιδιότητες των σιδηρομαγνητικών στοιχείων και ο σίδηρος είναι ξεκάθαρα ο πιο πρακτικός στη χρήση. Πίνακας 1:Ιδιότητες των σιδηρομαγνητικών υλικών. Το Γαδολίνιο έχει υψηλότερη μαγνήτιση κόρου (σ s ) στους Κ, αλλά έχει θερμοκρασία Curie (Τ C )ελαφρώς κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου, κάνοντάς το ακατάλληλο για χρήση στην πλειονότητα των εφαρμογών. Κοντολογίς, ο σίδηρος, έχει την υψηλότερη τιμή μαγνήτισης κόρου σ s στη θερμοκρασία δωματίου από οποιοδήποτε άλλο στοιχείο και έχει μια θερμοκρασία Curie T C που είναι αρκετά υψηλή για την πλειονότητα των εφαρμογών. Επίσης, ο σίδηρος είναι ένα πολύ μαλακό μαγνητικό υλικό, ειδικότερα σε σύγκριση με το Κοβάλτιο, το οποίο έχει τη δεύτερη υψηλότερη τιμή μαγνήτισης κόρου σ s σε θερμοκρασία δωματίου. Ο σίδηρος, έχει χαμηλή μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία, ενώ γενικότερα, οι μαγνητικές του ιδιότητες τον έχουν καταστήσει ένα πολύ δημοφιλές υλικό, για πολλές εφαρμογές. Μια από τις κυριότερες αδυναμίες, όμως, του σιδήρου είναι η δραστικότητά του με το νερό και το οξυγόνο. Αυτή η αδυναμία πολλαπλασιάζεται όταν γίνεται λόγος για τα νανοσωματίδια σιδήρου, όπου ο σίδηρος οξειδώνεται ταχύτατα και ολοκληρωτικά στον αέρα. σελ. 8 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

9 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ 1.2. ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΝΑΝΟΚΛΙΜΑΚΑ Το Σχήμα 3 δείχνει ένα σχηματικό διάγραμμα ενός θαλάμου με αίμα, μέσα στον οποίο έχουν εισαχθεί ορισμένα μαγνητικά νανοσωματίδια. Οι μαγνητικές ιδιότητες των μαγνητικών νανοσωματιδίων, καθώς και των περιβαλλόντων βιο-μορίων, μέσα σε αυτή τη ροή του αίματος αναπαριστώνται από τις διαφορετικές καμπύλες των μαγνητικών βρόχων υστέρησης. Αν ένα μαγνητικό υλικό τοποθετηθεί μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, έντασης H, η κάθε μια ατομική ροπή στο υλικό θα συνεισφέρει στη συνολική απόκριση, μαγνητική επαγωγή: Β = μ (Η + Μ) (1) όπου μ είναι η μαγνητική διαπερατότητα του κενού, και η μαγνήτιση Μ = m είναι η μαγνητική ροπή ανά μονάδα όγκου, όπου m η μαγνητική ροπή στον όγκο V ενός υλικού. Όλα τα υλικά είναι μαγνητικά κατά μια έννοια, με την απόκρισή τους να εξαρτάται από την ατομική τους δομή και τη θερμοκρασία. Μπορούν πολύ βολικά να ταξινομηθούν σύμφωνα με την ογκομετρική μαγνητική επιδεκτικότητά τους, χ, όπου η Μ = χη (2) Σχήμα 3. Διάφορες μαγνητικές αποκρίσεις που σχετίζονται με διαφορετικές κλάσεις μαγνητικού υλικού, ανταποκρινόμενες σε μια υποθετική κατάσταση, στην οποία κάποια σιδηρομαγνητικά σωματίδια ενός εύρους μεγεθών από την κλίμακα των νανομέτρων ως αυτή των μικρομέτρων, έχουν εισαχθεί σε ένα θάλαμο αίματος. Οι καμπύλες M-H είναι αυτές των διαμαγνητικών (diamagnetic, DM) και παραμαγνητικών (paramagnetic, PM) βιοϋλικών μέσα στο θάλαμο αίματος και των σιδηρομαγνητικών (ferromagnetic, FM) σωματιδίων, τα οποία έχουν εισαχθεί μέσα στο θάλαμο, όπου η απόκρισή τους μπορεί να είναι, είτε πολλών περιοχών (multi-domain, στο FM διάγραμμα), είτε μονής περιοχής ( στο FM διάγραμμα) ή υπερπαραμαγνητική (SPM), ανάλογα με το μέγεθος του σωματιδίου [Pankhurst et al., 23]. Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 9

10 Κεφάλαιο 1 ο : Μαγνητικές Νανοδομές περιγράφει την επαγόμενη μαγνήτιση σε ένα υλικό από το μαγνητικό πεδίο H. Σε μονάδες SI η χ είναι αδιάστατη ποσότητα και τα μεγέθη Mκαι H εκφράζονται σε μονάδες Am -1. Τα περισσότερα υλικά παρουσιάζουν μικρό μαγνητισμό, αλλά ακόμα και τότε, μόνο με την εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου. Μπορούν τότε, να ταξινομηθούν σε παραμαγνητικά υλικά, για τα οποία η χ βρίσκεται στο εύρος τιμών και σε διαμαγνητικά, με τη χ να βρίσκεται στο εύρος (-1-6 ) (-1-3 ). Παρ όλα αυτά, μερικά υλικά επιδεικνύουν τακτοποιημένες μαγνητικές καταστάσεις και είναι μαγνητικά ακόμη και δίχως την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου. Αυτά είναι τα σιδηρομαγνητικά, τα σιδηριμαγνητικά και τα αντισιδηρομαγνητικά υλικά, όπου το πρόθεμα αναφέρεται στη φύση των αλληλεπιδράσεων σύζευξης μεταξύ των ηλεκτρονίων μέσα στο υλικό. Αυτή η σύζευξη μπορεί να αυξήσει τις αυθόρμητες μαγνητίσεις. Για τα σιδηρομαγνητικά υλικά η τιμή της M είναι τυπικά 1 4 περιπτώσεις μαγνητικών υλικών. φορές μεγαλύτερη από αυτή που θα εμφανιζόταν σε άλλες Σχήμα 4. Σχηματική αναπαράσταση των μαγνητικών διπόλων και των φορών των μαγνητικών ροπών για τις 5 διαφορετικές κατηγορίες μαγνητικών υλικών παρουσία και απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου [Jeong et al., 27]. Οι ελκτικές ή απωστικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μαγνητικών υλικών μπορούν να περιγραφούν με το απλό παράδειγμα του απλού μαγνητικού δίπολου μικροσκοπικοί ραβδοειδής μαγνήτες με αντίθετους πόλους. Το Σχήμα 4 δείχνει ένα σχηματικό διαχωρισμό των υλικών όπως αναφέρθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο. Αν ένα υλικό δεν παρουσιάζει μαγνητικά δίπολα απουσία μαγνητικού πεδίου και έχει ασθενή επαγόμενα δίπολα παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, τότε το υλικό είναι σελ. 1 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

11 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ διαμαγνητικό. Η μαγνήτιση του υλικού σε αυτή την περίπτωση παρουσιάζει αντίθετη φορά, από τη φορά των μαγνητικών γραμμών του πεδίου. Αν ένα υλικό έχει τυχαία προσανατολισμένα δίπολα και μπορούν αυτά να ευθυγραμμιστούν με την εφαρμογή ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, τότε το υλικό είναι παραμαγνητικό. Η μαγνήτιση σε αυτή την περίπτωση θα είναι παράλληλη με τις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Οι μαγνητικές αλληλεπιδράσεις στις δύο παραπάνω περιπτώσεις είναι πολύ ασθενείς. Για ένα σιδηρομαγνητικό υλικό, τα μαγνητικά δίπολα υπάρχουν πάντα, είτε εφαρμόζεται μαγνητικό πεδίο είτε όχι και παρουσιάζουν ευρείας έκτασης τάξη. Μακροσκοπικά, ένα τέτοιο υλικό παρουσιάζει μόνιμη μαγνητική ροπή. Η επιδεκτικότητα στα υλικά με διατεταγμένα δίπολα δεν εξαρτάται μονάχα από τη θερμοκρασία, αλλά και από το μαγνητικό πεδίο H, το οποίο αυξάνει το χαρακτηριστικό σιγμοειδές Σχήμα της καμπύλης Μ-Η, με τη μαγνήτιση Μ να πλησιάζει μια τιμή κόρου στις μεγάλες τιμές του μαγνητικού πεδίου H. Επιπλέον, στα σιδηρομαγνητικά και σιδηριμαγνητικά υλικά, υπάρχει συχνά υστέρηση, η οποία είναι μη αναστρέψιμη κατά τη διαδικασία μαγνήτισης, κάτι το οποίο σχετίζεται με το μπλοκάρισμα των μαγνητικών περιοχών (pinning) σε προσμίξεις ή στα όρια κρυσταλλιτών μέσα στο υλικό, όπως επίσης και σε εσωτερικές επιδράσεις, όπως η μαγνητική ανισοτροπία του κρυσταλλικού πλέγματος. Αυτά επηρεάζουν το εύρος -και πιο συγκεκριμένα το αυξάνουν- της καμπύλης M-H, η οποία ονομάζεται βρόχος υστέρησης. Το μέγεθος του βρόχου εξαρτάται από το μέγεθος των σωματιδίων και όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο 1.2 αλλάζει για multi-domainκαι single-domain σωματίδια. Όπως αναφέρθηκε, σε πολύ μικρά μεγέθη σωματιδίων (κάτω των 1 nm), παρουσιάζεται το φαινόμενο του υπερπαραμαγνητισμού(superparamagnetism), όπου η μαγνητική ροπή του κάθε σωματιδίου, είναι ελεύθερη να κυμανθεί επηρεαζόμενη από τη θερμική πλέον ενέργεια, ενώ οι μεμονωμένες ατομικές ροπές διατηρούν τις καθορισμένες καταστάσεις συζευγμένες μεταξύ τους. Αυτό οδηγεί στην ανυστερητική, αλλά ακόμη σιγμοειδή, καμπύλη Μ-Η όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Ο υπερπαραμαγνητισμός αναφέρεται στην επίδραση της θερμικής ενέργειας σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό. Στο υπερπαραμαγνητικό καθεστώς μεγέθους, οι ροπές του νανοσωματιδίου κυμαίνονται σύμφωνα με τη θερμική ενέργεια, όπου αυτή η διακύμανση τείνει να κάνει τις ροπές του νανοσωματιδίου τυχαίες, εκτός αν εφαρμοστεί ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Η βάση του υπερπαραμαγνητισμού μπορεί να συνοψιστεί από ένα διπλό πηγάδι δυναμικού όπως φαίνεται στο Σχήμα 5. Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 11

12 Κεφάλαιο 1 ο : Μαγνητικές Νανοδομές Σχήμα 5. Διπλό πηγάδι δυναμικού (σχηματικά) ως μοντέλου του υπερπαραμαγνητισμού [Advanced Magnetic Nanostructures D. Selmer & R. Skomski, 26]. Η φυσική εξήγηση του υπερπαραμαγνητισμού βρίσκεται στο νόμο ενεργοποίησης για το χρόνο αφηρέμησης τ της καθαρής μαγνήτισης ενός σωματιδίου: τ = τ exp (3) όπου ΔΕ είναι η ενέργεια του φράγματος δυναμικού και k B Tη θερμική ενέργεια. Έστω ότι υπάρχει μόνο ένα καλά απομονωμένο single-domainσωματίδιο. Η ενέργεια μαγνητικής ανισοτροπίας ανά σωματίδιο, που είναι υπεύθυνη για τη συγκράτηση των μαγνητικών ροπών κατά μήκος μιας διεύθυνσης μπορεί να εκφραστεί από τη σχέση: E(θ) = K Vsin θ (4) όπου V είναι ο όγκος του σωματιδίου, K eff η σταθερά ανισοτροπίας στον όγκο V και θ η γωνία ανάμεσα στη μαγνήτιση και τον άξονα εύκολης μαγνήτισης (easy axes). Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 5, οι δύο καταστάσεις μαγνήτισης ενός μονοαξονικού μαγνητικού σωματιδίου διαχωρίζονται από ένα φράγμα δυναμικού, K eff V. Όταν η θερμική ενέργεια (k B T)γίνει συγκρίσιμη με το ύψος του φράγματος, υπάρχει αυξημένη πιθανότητα αναστροφής της μαγνήτισης. Για μη αλληλεπιδρώντα σωματίδια, ο παράγοντας τ είναι της τάξης του sec και εξαρτάται ασθενώς από τη θερμοκρασία. Το ενεργειακό χάσμα έχει διάφορες εξαρτήσεις, εσωτερικές ή εξωτερικές, όπως η μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία, η ανισοτροπία Σχήματος, αλλά στην απλούστερη περίπτωση έχει μονοαξονική συμμετρία και το ΔΕ θα είναι ίσο με K eff V. Η απευθείας αναλογία ανάμεσα στο ΔΕ και τον όγκο V είναι ο λόγος που ο υπερπαραμαγνητισμός -η θερμικά επαγόμενη αναστροφή της φοράς της καθαρής ροπής- είναι σημαντικό φαινόμενο για μικρού μεγέθους σωματίδια, εφόσον για αυτά το ΔΕ είναι συγκρίσιμο με τη θερμική ενέργεια k B T, σε θερμοκρασία δωματίου. σελ. 12 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

13 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Σχήμα 6.Αναπαράσταση της έννοιας του υπερπαραμαγνητισμού, όπου οι κύκλοι απεικονίζουν τρία μαγνητικά νανοσωματίδια και τα βέλη αναπαριστούν την κατεύθυνση της καθαρής μαγνήτισης σε αυτά τα σωματίδια. Στην περίπτωση (a), σε θερμοκρασίες αρκετά κάτω της εξαρτώμενης από την πειραματική τεχνική θερμοκρασίας μπλοκαρίσματος Τ Β των σωματιδίων, ή για χρόνους ηρέμησης τ (ο χρόνος ανάμεσα στις αναστροφές της ροπής) πολύ μεγαλύτερους από τον χαρακτηριστικό πειραματικό χρόνο τ, οι καθαρές ροπές είναι ημι-στατικές. Στην περίπτωση (b), σε θερμοκρασίες αρκετά επάνω από την Τ Β, ή για τ πολύ μικρότερο από το τ, οι αναστροφές της ροπής είναι τόσο γρήγορες, όπου σε μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, η χρονικά εξαρτώμενη-μέση τιμή της καθαρής ροπής στο σωματίδιο, είναι μηδέν [Pankhurst et al., 23]. Σε αυτό το σημείο, είναι σημαντικό να τονιστεί ότι οι παρατηρήσεις του υπερπαραμαγνητισμού είναι εξαρτώμενες όχι μόνο από τη θερμοκρασία αλλά και από το χρόνο μέτρησης τ της πειραματικής τεχνικής που χρησιμοποιείται (Σχήμα 6). Αν τ τ η αναστροφή της ροπής είναι ταχεία σε σχέση με το χρόνο του πειράματος και τα σωματίδια εμφανίζονται ως παραμαγνητικά (PM). Αν όμως, τ τ η αναστροφή είναι αργή και παρατηρούνται ημι-στατικές ιδιότητες οι αποκαλούμενες μπλοκαρισμένες καταστάσεις ( blocked states) του συστήματος. Το διαχωριστικό σημείο ανάμεσα στις δύο αυτές καταστάσεις του συστήματος είναι μια τιμή της θερμοκρασίας, η οποία ονομάζεται θερμοκρασία μπλοκαρίσματος ( blocking temperature ), συμβολίζεται με Τ Β και σε αυτή τη θερμοκρασία ισχύει τ = τ.σε συνηθισμένες περιπτώσεις πειραμάτων, ο χρόνος τ μπορεί να ποικίλει από 1 2 sec για DCμαγνήτιση και secγια ACεπιδεκτικότητα (αργές και μέσες χρονικές κλίμακες), ως sec για φασματοσκοπία Mossbauer 57 Fe (ταχείες χρονικές κλίμακες).όλες οι διαφορετικές μαγνητικές αποκρίσεις που προαναφέρθηκαν φαίνονται στο Σχήμα 3 για την περίπτωση των σιδηρομαγνητικών ή σιδηριμαγνητικών νανοσωματιδίων, τα οποία εισήχθησαν σε ένα θάλαμο αίματος. Ανάλογα με το μέγεθος των σωματιδίων, τα εισαγόμενα υλικά παρουσιάζουν Μ-Η βρόχους, είτε multi-domain σωματιδίων, είτε single-domain, είτε υπερπαραμαγνητικών (SPM) νανοσωματιδίων. Η μαγνητική απόκριση του θαλάμου αίματος αυτή καθεαυτή περιλαμβάνει μια παραμαγνητική απόκριση -για παράδειγμα, από τα μόρια αιμοσφαιρίνης που περιέχουν σίδηρο- αλλά και μια διαμαγνητική απόκριση -για παράδειγμα, από τις εσωτερικές πρωτεΐνες που περιέχουν μόνο άτομα άνθρακα, Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 13

14 Κεφάλαιο 1 ο : Μαγνητικές Νανοδομές υδρογόνου, αζώτου και οξυγόνου. Πρέπει να σημειωθεί, ότι το μαγνητικό σήμα από τα εισαγόμενα σωματίδια, ανεξαρτήτως μεγέθους, διαφέρει πολύ από το σήμα των ατόμων και των μορίων του θαλάμου αίματος. Αυτή η επιλεκτικότητα μεγάλης διακριτικής ικανότητας είναι το βασικό πλεονέκτημα των βιοϊατρικών εφαρμογών των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Επιστρέφοντας στην υστέρηση, η οποία αυξάνει το εύρος του M-H βρόχου, που διακρίνεται στις περιπτώσεις των σιδηρομαγνητών και των αντισιδηρομαγνητών, είναι ξεκάθαρο ότι η ενέργεια πρέπει να υπερκεράσει το φράγμα δυναμικού της κίνηση των τοιχωμάτων και υπαγορεύεται από την εσωτερική ανισοτροπία και τις προσμίξεις της μικροδομής και των ορίων κόκκων μέσα στο υλικό. Αυτή η ενέργεια, μεταφέρεται από το εφαρμοζόμενο πεδίο και χαρακτηρίζεται από την περιοχή που καταλαμβάνει ο βρόχος υστέρησης (από το εμβαδό του βρόχου υστέρησης). Αυτό οδηγεί, στην εξήγηση, ότι αν εφαρμοστεί ένα χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο σε ένα σιδηρομαγνητικό ή σιδηριμαγνητικό υλικό, μπορεί να καθιερωθεί μια κατάσταση κατά την οποία υπάρχει μια σταθερή ροή ενέργειας μέσα στο υλικό, η οποία αναγκαστικά θα μετατραπεί σε θερμική ενέργεια. Αυτή είναι η φυσική σκοπιά και βάση των θεραπειών υπερθερμίας. Ένα παρόμοιο επιχείρημα, όσον αφορά στη μεταφορά ενέργειας, μπορεί να εξαχθεί και για τα υπερπαραμαγνητικά υλικά, όπου η ενέργεια που απαιτείται, χρησιμοποιείται για την ευθυγράμμιση των ροπών των σωματιδίων, ώστε να επιτευχθεί η κατάσταση κόρου. Δυνάμεις στα μαγνητικά νανοσωματίδια Η κλίση ενός μαγνητικού πεδίου είναι απαραίτητη για την εξάσκηση μιας δύναμης από απόσταση. Ένα ανομοιογενές πεδίο, αυξάνει τη ροπή, αλλά όχι την μεταβατική δράση. Ο ορισμός της μαγνητικής δύναμης, που επιδρά σε ένα σημειακό μαγνητικό δίπολο mείναι: F = (m )B (5) ο οποίος γεωμετρικά ερμηνεύεται ως παραγώγιση με σταθερή την κατεύθυνση της ροπής m. Για παράδειγμα, αν m = (,, m ) τότε m = m και θα επιδράσει μια δύναμη στο δίπολο, υπό την προϋπόθεση ότι υπάρχει μια κλήση του πεδίου στο B στην z-κατεύθυνση. Στην περίπτωση ενός μαγνητικού νανοσωματιδίου, μέσα σε ένα ασθενές διαμαγνητικό μέσο, όπως νερό, η συνολική ροπή στο σωματίδιο, μπορεί να γραφεί m = V M, όπου V είναι ο όγκος του σωματιδίου και Μη ογκομετρική μαγνήτιση, η οποία με τη σειρά της δίνεται από τη σχέση M = ΔχH, όπου Δχ = χ χ είναι η ενεργός επιδεκτικότητα του σωματιδίου σε σχέση με το νερό. Για την περίπτωση ενός αραιού διαλύματος νανοσωματιδίων σε καθαρό νερό, η ολική σελ. 14 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

15 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ απόκριση των σωματιδίων συν αυτή του νερού μπορεί να προσεγγιστεί από τη σχέση B = μ H, έτσι ώστε η εξίσωση (5) να γίνει: F = (Β )Β (6) Επιπλέον, υπό την προϋπόθεση ότι δεν υπάρχουν χρονικά μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά πεδία ή ρεύματα στο μέσον, μπορεί να εφαρμοστεί η εξίσωση Maxwell Β = στην ακόλουθη μαθηματική ταυτότητα: (Β Β) = 2Β ( Β) + 2(Β )Β = 2(Β )Β (7) ώστε να προκύψει μια άλλη μορφή της εξίσωση (6): F = V Δχ Β 2μ ή F = V Δχ B H (8) στην οποία η μαγνητική δύναμη σχετίζεται με την παράγωγο της πυκνότητας ενέργειας του μαγνητοστατικού πεδίου, Β Η. Έτσι, αν Δχ > η μαγνητική δύναμη επιδρά στην κατεύθυνση της απότομης ανάβασης του βαθμωτού πεδίου ενεργειακής πυκνότητας. Αυτό εξηγεί, το γιατί, για παράδειγμα, όταν ρινίσματα σιδήρου, φέρονται κοντά στον πόλο ενός μόνιμου μαγνήτη, ελκύονται προς τον πόλο. Είναι επίσης, η βάση για τις βιοϊατρικές εφαρμογές του μαγνητικού διαχωρισμού και της μεταφοράς φαρμάκων. Για να γίνει δυνατή, η παρασκευή ενός κολλοειδούς διαλύματος (colloid suspension), το μέγεθος του σιδηρομαγνητικού σωματιδίου, πρέπει να είναι πολύ μικρότερο από 1 μm. Η συνήθης διάμετρος των μαγνητικών κρυστάλλων ποικίλει μεταξύ των 4 και 18 nm, είτε σε απομονωμένους κρυστάλλους ή σε κρυστάλλους συσσωματωμάτων, οι οποίοι συνθέτουν μεγαλύτερα σε μέγεθος σωματίδια. Επειδή η παρουσία κάθε κρυστάλλου σιδηρο- ή σιδηριμαγνητικού υλικού μέσα στο κολλοειδές είναι πολύ μικρότερη από το μέγεθος μια περιοχής (domain), αυτός είναι πλήρως μαγνητισμένος. Προς το παρόν, το μόνο σιδηρο-ρευστό, που χρησιμοποιείται για βιοϊατρικές εφαρμογές βασίζεται σε διαλύματα σιδηριμαγνητικού υλικού σιδήρου. Στην πραγματικότητα, ένα διάλυμα αποτελούμενο από μικρούς κρυστάλλους σιδήρου, όπως ο μαγνητίτης (Fe 3 O 4 ), μπορεί να είναι καλύτερο υλικό από ένα σίδηρο επειδή η μαγνήτιση του είναι περίπου 5 φορές υψηλότερη από αυτή του Fe 3 O 4. Παρά ταύτα, τα νανοσωματίδια, καθαρού σιδήρου είναι πολύ ασταθή και οξειδώνονται πολύ γρήγορα σε οξείδια του σιδήρου (iron oxide) σε υδατικά μέσα. Η βελτίωση των σιδηρομαγνητικών νανοσωματιδίων Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 15

16 Κεφάλαιο 1 ο : Μαγνητικές Νανοδομές που είναι χρήσιμα στις βιοϊατρικές εφαρμογές, περιλαμβάνει συνεπώς και μια επικάλυψη, η οποία θα τα προστατεύει από την οξείδωση. Σε συνδυασμό με την τιμή της μαγνήτισης του, το κάθε single-domain σωματίδιο χαρακτηρίζεται επίσης και από μια άλλη σημαντική ιδιότητα, την ενέργεια ανισοτροπίας του. Όπως είναι φανερό από το Σχήμα 7, η μαγνητική ενέργεια ενός νανομαγνήτη εξαρτάται από τη διεύθυνση του διανύσματος της μαγνήτισης του (σε συμφωνία με τις κρυσταλλογραφικές διευθύνσεις). Οι διευθύνσεις που ελαχιστοποιούν αυτή τη μαγνητική ενέργεια, καλούνται διευθύνσεις ανισοτροπίας ή εύκολοι άξονες (άξονες εύκολης μαγνήτισης). Η μαγνητική ενέργεια αυξάνεται με την κλίση της γωνίας ανάμεσα στο διάνυσμα της μαγνήτισης και της εύκολης διεύθυνσης. Το εύρος του πλάτους αυτής της καμπύλης, που καλείται ενέργεια ανισοτροπίας, δίνεται από το γινόμενο του όγκου του κρυστάλλου επί μια σταθερά, τη σταθερά ανισοτροπίας. Η ενέργεια ανισοτροπίας αναλογικά με τον όγκο του κρυστάλλου, αυξάνει έτσι πολύ απότομα και γρήγορα, καθώς η ακτίνα του κρυστάλλου αυξάνεται (εξίσωση 4). Υπάρχουν 4 παράγοντες που συνεισφέρουν στο πεδίο της ανισοτροπίας, οι οποίοι ίσως να επηρεάζονται από την επέκταση της συσσωμάτωσης στον κρύσταλλο: (1) Ο πρώτος είναι το πεδίο της αυτοφυούς μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας, το οποίο εξαρτάται από τη χημική σύσταση και την κρυσταλλογραφική δομή του υλικού. (2) Ο δεύτερος παράγοντας είναι το συνεκτικό πεδίο, το απομαγνητίζον πεδίο, το οποίο καθορίζεται από το Σχήμα του κρυστάλλου. Αυτό το συστατικό της ανισοτροπίας είναι ίσο με μηδέν για μια σφαίρα και αυξάνεται με επιμήκυνση του Σχήματος. (3) Τρίτος παράγοντας είναι η σταθερά ανισοτροπίας, η οποία επίσης εξαρτάται από τη δομή της επιφανείας του κρυστάλλου. (4) Τέλος, για τις δομές συσσωμάτωσης, υπάρχει η διπολική αλληλεπίδραση ανάμεσα σε δύο γειτονικούς κρυστάλλους, η οποία αυξάνεται καθώς μειώνεται η ενδοκρυσταλλική απόσταση. Σχήμα 7.Εξέλιξη της μαγνητικής ενέργειας με τη γωνία ανάμεσα στους εύκολους άξονες [Laurent et al., 28]. σελ. 16 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

17 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Είναι σύνηθες να θεωρείται ότι η ανισοτροπία έχει μια ομοαξονική συμμετρία. Παρά ταύτα, αυτή η υπόθεση είναι λογική για συστήματα υψηλότερης συμμετρίας που βασίζονται στα κυβικά μοντέλα. Οι περισσότερο πολύπλοκες συμμετρίες θα είναι περισσότερο χρονοβόρες για υπολογισμούς χωρίς να παράγουν μια ολοκληρωμένη λύση, επειδή η ανισοτροπία επηρεάζεται από μερικές συνεισφορές. Για παράδειγμα, στην περίπτωση του σιδήρου, μόνο η αυτοφυής μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία έχει κυβική συμμετρία αλλά το Σχήμα και η ενδοκρυσταλλική ανισοτροπία έχουν ομοαξονική συμμετρία. Η ενέργεια ανισοτροπίας καθορίζει επίσης το χρόνο ηρέμησης Νel, ο οποίος αποτελεί μια ακόμα σημαντική παράμετρο της μαγνητικής συμπεριφοράς ενός single-domainνανοσωματιδίου. Για ξηρή σκόνη single-domainνανοσωματιδίων, ο χρόνος αφηρέμησης Νéel χαρακτηρίζεται από το σταθερό χρόνο που χρειάζεται για την επιστροφή στην ισορροπία της μαγνήτισης, μετά από μια διατάραξη. Σε συνθήκες υψηλής ανισοτροπίας, η κρυσταλλική ανισοτροπία κλειδώνει στους εύκολους άξονες λόγω του νόμου του Boltzmann, σύμφωνα με τον οποίο προτιμάται η διεύθυνση με τη μικρότερη μαγνητική ενέργεια. Η αφηρέμηση Νéel καθορίζει τότε, τη διακύμανση η οποία εγείρεται από τα πηδήματα της μαγνητικής ροπής μεταξύ των εύκολων διευθύνσεων. Η συνάρτηση που δίνει την εξέλιξη του χρόνου αφηρέμησης Νéel τ συναρτήσει της ενέργειας ανισοτροπίας Ε είναι το γινόμενο δύο παραγόντων.ένας από αυτούς είναι μια εκθετική συνάρτηση της ανισοτροπίας: πράγματι, για να γίνει η αναστροφή από τη μια εύκολη διεύθυνση στην άλλη, η μαγνήτιση της νανοπεριοχής πρέπει να υπερπηδήσει μια ενέργεια ανισοτροπίας, το φράγμα που έχει προαναφερθεί. Αυτή η διαδικασία είναι ισοδύναμη με μια χημική αντίδραση, η οποία χρειάζεται ένα ποσό ενέργειας ίσο ή μεγαλύτερο από μια ενέργεια ενεργοποίησης, για να συμβεί. Επομένως, η κινητική του φαινομένου αυτού δίνεται, από το νόμο Arrhenius, (η εξίσωση 3, ελαφρώς τροποποιημένη): τ = τ (Ε )e (9) όπου Ε είναι η συνολική ενέργεια ανισοτροπίας, kη σταθερά Boltzmann και T η απόλυτη θερμοκρασία. Ο παράγοντας τ Ε είναι ο προεκθετικός παράγοντας της έκφρασης του χρόνου αφηρέμησης Νéel (εξ. 3). Αυτός ο παράγοντας, είναι επίσης μια έκφραση της ενέργειας ανισοτροπίας όπως δίνεται από την εξίσωση: Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 17

18 Κεφάλαιο 1 ο : Μαγνητικές Νανοδομές τ (Ε ) = ( ( ) ) + η ( ) ( ) 1 + (1) όπου Vο όγκος του κρυστάλλου, M ()είναι η ειδική μαγνήτιση του κρυστάλλου στους Κ, M (T)είναι η ειδική μαγνήτιση του κρυστάλλου σε θερμοκρασία εργαστηρίου, γ είναι ο γυρομαγνητικός λόγος του ηλεκτρονίου, η είναι μια αδιάστατη σταθερά και η = ηγ M (), με την η να είναι η σταθερά απόσβεσης. Αντίθετα από τον εκθετικό παράγοντα, ο παράγοντας τ (E ) ελαττώνεται όσο η τιμή της ενέργειας ανισοτροπίας αυξάνεται. Για μικρές τιμές της ενέργειας ανισοτροπίας και σε υψηλές θερμοκρασίες, θα πληρούται η ακόλουθη συνθήκη: E kt, και επομένως, ο εκθετικός παράγοντας τείνει στη μονάδα. Ο χρόνος αφηρέμησης Νéelκαθορίζεται τότε, από τον προεκθετικό όρο, ο οποίος ελαττώνεται όσο η ενέργεια ανισοτροπίας αυξάνεται. Αυτές οι συνθήκες, χαμηλής ανισοτροπίας, πληρούνται, για παράδειγμα, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για νανοσωματίδια μαγνητίτη, που έχουν μια ακτίνα μικρότερη των 4nm. Αντιθέτως, για την υψηλότερη ενέργεια ανισοτροπίας, όταν E kt, η εξέλιξη του χρόνου αφηρέμησης Νéel καθορίζεται κυρίως, από τον εκθετικό παράγοντα, ο οποίος προβλέπει μια ταχύτατη αύξηση με την αύξηση της Ε. Η καμπύλη της μαγνήτισης μιας ξηρής σκόνης ενός σιδηρομαγνητικού ή σιδηριμαγνητικού σωματιδίου μιας περιοχής μπορεί να έχει δύο διαφορετικές συμπεριφορές όπως αναφέρθηκε και παραπάνω. Αν ο χρόνος αφηρέμησης Νéelείναι μεγαλύτερος από το χρόνο της μέτρησης, η καμπύλη είναι μη αντιστρεπτή και παρουσιάζει ένα βρόχο υστέρησης. Όταν η μαγνήτιση του σωματιδίου είναι τελείως παγιωμένη, η αντιστροφή της χρειάζεται μια σύζευξη Zeeman, με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο επαρκώς ισχυρό, έτσι ώστε να υπερκεραστεί το φράγμα της ενέργειας ανισοτροπίας. Για παράδειγμα, για πολύ υψηλές συνθήκες ανισοτροπίας, ο χρόνος αφηρέμησης Νéelπρέπει να είναι μεγαλύτερος από μερικούς αιώνες και το υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή και παραγωγή σκληρών δίσκων αποθήκευσης δεδομένων. Οι έρευνες σε αυτό το πεδίο, τείνουν να μεγιστοποιήσουν τη σταθερά ανισοτροπίαςk του υλικού με σκοπό την αποθήκευση ποσότητας πληροφορίας, σε όσο το δυνατό λιγότερο μαγνητικό υλικό. Πιο συχνά, η κατάσταση του παγιώματος της μαγνήτισης δεν πληρούται για τα σωματίδια που χρησιμοποιούνται σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Αυτό σημαίνει, ότι ο χρόνος αφηρέμησης Νéel είναι πολύ μικρότερος από το χρόνο της μέτρησης όπως έχει προαναφερθεί. Επιπροσθέτως, στην περίπτωση του μαγνητικού ρευστού, οι σιδηρομαγνητικοί κρύσταλλοι διαχέονται σε ένα υγρό σελ. 18 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

19 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ μέσο και σχηματίζουν το κολλοειδές διάλυμα. Σε αυτές τις συνθήκες, η στροφή της μαγνήτισης στην ισορροπία καθορίζεται από δύο διαφορετικές διαδικασίες. Η πρώτη είναι η αφηρέμηση Νéel (Νéel relaxation)και η δεύτερη είναι η αφηρέμησηbrown (Brownian relaxation) και είναι αυτές οι οποίες χαρακτηρίζουν την ιξώδη/κολλοειδή στροφή ολόκληρου του σωματιδίου (Σχήμα 8). Σχήμα 8. Αναπαράσταση των δύο συνιστωσών της μαγνητικής αφηρέμησης ενός μαγνητικού ρευστού [Laurent et al., 28]. Ο συνολικός χρόνος αφηρέμησης του κολλοειδούς προκύπτει από την παρακάτω σχέση: = + (11) όπου τ ο συνολικός χρόνος αφηρέμησης και τ είναι ο χρόνος της Brownianαφηρέμησης, ο οποίος δίνεται από τη σχέση: τ = (12) Όπως προκύπτει από την εξίσωση (11) ο μικρότερος από τους δύο όρους καθορίζει τη συνολική αφηρέμηση. Στο Σχήμα 9 φαίνεται η εξάρτηση της αφηρέμησης από το μέγεθος, τόσο για τις επιμέρους συνιστώσες όσο και για τη συνολική από το μέγεθος των νανοσωματιδίων στην περίπτωση του μαγνητίτη. Για μικρά νανοσωματίδια (< 7 nm), ο χρόνος τ είναι μεγαλύτερος από το χρόνο τ λόγω της Brownian συνιστώσας της μαγνητικής αφηρέμησης, που είναι ανάλογη του όγκου του κρυστάλλου, ενώ η αφηρέμηση Νéel είναι μια εκθετική συνάρτηση του όγκου και ξεκινά από χαμηλότερες τιμές. Στην περιοχή αυτή η αφηρέμηση Νéelκαθορίζει την συνολική αφηρέμηση. Αντίθετα σε μεγαλύτερα νανοσωματίδια (> 7 nm), η ιξώδης στροφή του σωματιδίου γίνεται η κυρίαρχη διαδικασία καθορίζοντας και την συνολική αφηρέμηση, η οποία γίνεται σε αυτή την περίπτωση, πολύ ταχύτερη από ότι στην περίπτωση της ξηρής σκόνης. Σε αυτές τις συνθήκες, η καμπύλη μαγνήτισης είναι τέλεια αντιστρεπτή επειδή η ταχεία μαγνητική αφηρέμηση επιτρέπει στο σύστημα να βρίσκεται συνεχώς, σε θερμοδυναμική ισορροπία. Αυτή η συμπεριφορά στοιχειοθετεί τον προαναφερθέντα υπερπαραμαγνητισμός (Bean&Livingston). Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 19

20 Κεφάλαιο 1 ο : Μαγνητικές Νανοδομές Σχήμα 9.Η εξέλιξη των δύο συνιστωσών της μαγνητικής αφηρέμησης συναρτήσει της ακτίνας ενός κρυστάλλου μαγνητίτη [Laurent et al., 28]. Όταν αυτές οι συνθήκες ισορροπίας πληρούνται στην εντέλεια, το υλικό είναι υπερπαραμαγνητικό και η εξέλιξη της μαγνήτισης με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο είναι ανάλογη της συνάρτησης Lange in, η οποία λαμβάνει υπόψη μια κατανομή Boltzmann για το επίπεδο της ενέργειας, ανταποκρινόμενη σε όλους τους πιθανούς προσανατολισμούς της μαγνητικής ροπής του σωματιδίου: m (Β ) = m ( )L(x) (13) όπου m (B ) είναι η μαγνήτιση του μέσου σε ένα πεδίο επαγωγής B, m ( ) είναι η μαγνήτιση κόρου και L(x) είναι η συνάρτηση Lange in: L(x) = coth(x) (14) όπου x = ( ) Η προσαρμογή της πειραματικής καμπύλης μαγνήτισης (Σχήμα 1) ενός μαγνητικού ρευστού με τη βοήθεια των εξισώσεων (13) και (14) επιτρέπει να γίνει ο καθορισμός των διαστάσεων του κρυστάλλου και της ειδικής μαγνήτισης του. Σχήμα 1.Μαγνητικές καμπύλες για διαφορετικά νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου (δείγμα 1-sample 1 με r = 5.59 nm, δείγμα 2-sample 2 με r = 5.67 nm και δείγμα 3-sample 3 με r = 4.84 nm) [Laurent et al., 28]. σελ. 2 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

21 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Ο καθορισμός της ενέργειας ανισοτροπίας είναι πολύ δυσκολότερος. Πολλές προσπάθειες βασίζονται στον καθορισμό της θερμοκρασίας μπλοκαρίσματος, η οποία χαρακτηρίζει τη θερμοκρασία όπου ο χρόνος μαγνητικής αφηρέμησης είναι περίπου ίσος με το χρόνο της μέτρησης, όπως έχει αναφερθεί και στα ανωτέρω. Λαμβάνοντας υπόψη και τις καμπύλες μαγνήτισης, για παράδειγμα, είναι η θερμοκρασία κάτω από την οποία μπορεί να γίνει ορατός ο βρόχος υστέρησης. Μια ταχύτερη και πιο χρήσιμη μέθοδος είναι η σύγκριση της εξέλιξης της μαγνήτισης, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, όταν το δείγμα έχει ψυχθεί, με ή χωρίς ένα μαγνητικό πεδίο κόρου. Οι δύο καμπύλες αποκλίνουν κάτω από τη θερμοκρασία μπλοκαρίσματος. Ο χρόνος αφηρέμησης Νéel, μπορεί να καθοριστεί με μια πλειάδα τεχνικών και μεθόδων. Η πιο κοινή αποτελείται από τον προσδιορισμό της τετμημένος του μέγιστου σημείου ν στην καμπύλη που δίνει την εξάρτηση της συχνότητας της επιδεκτικότητας του συστήματος σε μονάδες εναλλασσόμενου ρεύματος. Αυτή η συχνότητα επιτρέπει τον καθορισμό του χρόνου μαγνητικής αφηρέμησης: τ = (15) Για μεγάλους χρόνους μαγνητικής αφηρέμησης, μια μέθοδος συνίσταται στη μέτρηση του ρυθμού στον οποίο η μαγνήτιση του δείγματος μειώνεται, μετά από απελευθέρωση από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Για μικρότερους χρόνους, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η προσαρμογή των δεδομένων της αφηρέμησης. Συμπερασματικά, οι μαγνητικές ιδιότητες των κολλοειδών, καθορίζονται κυρίως, από τη διάμετρο του κρυστάλλου, από τη μαγνήτιση κόρου του κρυστάλλου και το χρόνο αφηρέμησηςnéel του ίδιου του κρυστάλλου, ο οποίος εξαρτάται ισχυρά από τη σταθερά ανισοτροπίας Ο FE ΣΕ ΜΟΡΦΗ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Η χημεία των νανοσωματιδίων σιδήρου κυριαρχείται από την ακραία αντιδραστικότητα με οξειδωτικούς παράγοντες, ιδιαίτερα όσον αφορά στον αέρα. Υπάρχουν πολύ απλές προφυλάξεις που μπορούν να ληφθούν, έτσι ώστε τουλάχιστον να επιβραδύνουν την αντίδραση του σιδήρου με τον αέρα. Μια από αυτές είναι η διασπορά των νανοσωματιδίων μέσα σε ένα υγρό ή στερεό μέσο. Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 21

22 Κεφάλαιο 1 ο : Μαγνητικές Νανοδομές Σχήμα 11.Εικόνες από ΤΕΜ ενός δείγματος νανοσωματιδίων σιδήρου μετά από (a) 22 min και (b) 6 minαντίδρασης. (c) Μεγέθυνση εικόνας ενός μονωμένου σωματιδίου το οποίο περικλείεται από επιφανειοδραστικό περίβλημα [Simeonidis et al., 27]. Αυτό επιβραδύνει τη διάχυση του οξυγόνου στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων και γενικά μετριάζει την αντίδραση της οξείδωσης. Μια άλλη στρατηγική είναι η προ-οξείδωση (preoxidation)των νανοσωματιδίων, ώστε να ελεγχθεί η αντίδραση. Με ελεγχόμενη έκθεση των νανοσωματιδίων σιδήρου σε χαμηλή πίεση αέρα, σε νερό απουσία αέρα, σε καρβολικό οξύ, ή άλλο ασθενή οξειδωτικό μπορεί να επιτευχθεί η δημιουργία ενός παθητικού κελύφους από οξείδιο, το οποίο δρα προστατευτικά στη διαχείρισή του σε κανονικές συνθήκες. Το περίβλημα του μαγνητίτη που σχηματίζεται από αυτή τη διαδικασία είναι ισχυρά προσκολλημένο και δρα ως ένας οξειδωτικός αναστολέας, προλαμβάνοντας την απότομη εξέλιξη της οξείδωσης, που συμβαίνει όταν ο ακατέργαστος σίδηρος συναντά τον αέρα. Υπάρχουν και άλλες μέθοδοι για να μειωθεί η αντιδραστικότητα των νανοσωματιδίων σιδήρου με το οξυγόνο. Δραματοποιώντας το σίδηρο, με ένα λιγότερο δραστικό μέταλλο είναι ένας τρόπος για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο. Η πιο χαρακτηριστική περίπτωση εδώ είναι η δημιουργία σταθερών στον αέρα, νανοσωματιδίων σιδήρου-πλατίνας. Επίσης, εφαρμόζεται και η μέθοδος της επικάλυψης των νανοσωματιδίων με ένα μη-δραστικό περίβλημα, που προβάλει έναν ανασταλτικό παράγοντα για το οξυγόνο και είναι συνήθως μη οργανικό. Το πιο δημοφιλές υλικό για αυτό είναι ο χρυσός ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ ΧΡΗΣΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Η θέρμανση συγκεκριμένων βιολογικών ιστών και οργάνων ανάμεσα στις θερμοκρασίες των 41 και 45 o C με σκοπό τη θεραπεία του καρκίνου ονομάζεται Υπερθερμία (Hyperthermia). Η υπερθερμία ως ιατρική θεραπεία βασίζεται στην τοπική θέρμανση κάποιου ιστού με θερμοκρασίες υψηλότερες των 41 o C για χρονική διάρκεια περίπου 3 minμε σκοπό την σελ. 22 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

23 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ καταστροφή των ιστών αυτών, ειδικότερα των καρκινικών. Η δυσκολία στην εφαρμογή αυτής της μεθόδου έγκειται στο γεγονός ότι πρέπει να γίνει επιλεκτική, λόγω του ότι πρέπει να εφαρμοστεί μόνο στους ασθενείς ιστούς και όχι στους υγιείς. Η υπερθερμία είναι μια χρήσιμη θεραπευτική μέθοδος, για τη θεραπεία των κακοήθων όγκων. Ο βασικός άξονας είναι ο θάνατος του καρκίνου, όχι με φάρμακα, αλλά με στοχευόμενα θερμοσώματα νανοδιαστάσεων, τα οποία ουσιαστικά, θα έψηναν τα κακοήθη κύτταρα μέχρι αυτά να πεθάνουν. Οι καλύτεροι υποψήφιοι για μια αποτελεσματική θεραπεία είναι τα μαγνητικά υλικά με θερμοκρασίες Curie ανάμεσα στους 41 και τους 6 o C, από τη στιγμή που δρουν ως in vivo διακόπτες ελέγχου θερμοκρασίας, αποτρέποντας την υπερθέρμανση. Είναι γνωστό ότι τα καρκινικά κύτταρα είναι περισσότερο ευαίσθητα στην αύξηση της θερμοκρασίας από τα υγιή, επομένως οι μέθοδοι της ενδοκυτταρικής υπερθερμίας που έχουν προταθεί και αναπτυχθεί απαιτούν τη χρήση των μαγνητικών νανοσωματιδίων, τα οποία συγκεντρώνονται στο μέρος του όγκου και θερμαίνονται εξ αποστάσεως -μεταδίδοντας αυτή τη θερμότητα και στα καρκινικά κύτταρα- με τη χρήση ενός μαγνητικού πεδίου στις απαιτούμενες θερμοκρασίες υπερθερμίας (41-45 o C). Όταν τα μαγνητικά νανοσωματίδια εγχυθούν μέσα σε ένα όργανο με όγκο, τείνουν να συσσωρευτούν στον όγκο λόγω των ανοργάνωτων αγγείων, θερμαίνοντας έτσι αποτελεσματικά τον όγκο, σε αντίθεση με τον περιβάλλοντα υγιή ιστό. Η απευθείας έγχυση σε στερεούς όγκους, ακολουθούμενη από την έκθεση σε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, έχει αποδειχθεί ότι καθιστά δυνατή την παρακίνηση της καθυστέρησης ανάπτυξης του όγκου. Πρόσφατες έρευνες έχουν τονίσει την εφαρμογή των μαγνητικών νανοσωματιδίων στα μοντέλα του καρκίνου στον ανθρώπινο οργανισμό, όπως είναι ο καρκίνος του στήθους, όπου σωματίδια οξειδίου του σιδήρου 1-3 nm μπορούν να θερμάνουν αποτελεσματικά. Παρ όλα αυτά σημειώνεται, ότι χρειάζεται ένας ικανοποιητικός αριθμός ερευνών ακόμη, για να βελτιστοποιηθεί η κίνηση και η εναπόθεση των νανοσωματιδίων ως τον όγκο αλλά και ο έλεγχος της διάχυσης και της κατανομής της θερμότητας. Πρόσφατα έχουν δημοσιευθεί οι πρώτες κλινικές εμπειρίες της χρήσης των μαγνητικών νανοσωματιδίων στη θερμοθεραπεία για τον καρκίνο του προστάτη και άλλων καρκινικών οντοτήτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα μαγνητικά νανοσωματίδια παρατηρήθηκαν ως συσσωματώματα (συναθροίσεις των νανοσωματιδίων σε σύνολα), περιορισμένα στην περιοχή της έγχυσης, υπογραμμίζοντας την ανάγκη για πολλαπλές διαδρομές στη διαχείριση της μεθόδου. Μια προφανής ενίσχυση των ερευνών για την υπερθερμία είναι η χρήση μαγνητικών νανοσωματιδίων με στόχευση του όγκου, με την επιπρόσθετη δυνατότητα της εναπόθεσης Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 23

24 Κεφάλαιο 1 ο : Μαγνητικές Νανοδομές φαρμάκου στην περιοχή του όγκου. Η έρευνα για τη στοχευόμενη υπερθερμία, μπορεί να επεκταθεί ώστε να περιλαμβάνει και την στοχευόμενη γονιδιακή έκφραση. Ο έλεγχος της γονιδιακής έκφρασης στους όγκους είναι σημαντικός στην γονιδιακή θεραπεία και η χρήση ενός επαγωγικού προωθητή για τον έλεγχο της έκφρασης, ακόμα πιο επιθυμητή. Έτσι, η υπερθερμία έχει προταθεί ως μια μη-επεμβατική και μη-τοξική μέθοδος για την τοπική γονιδιακή έκφραση. Υπάρχουν έρευνες στις οποίες η θερμική ενέργεια από τα μαγνητικά νανοσωματίδια χρησιμοποιήθηκε για να ενεργοποιήσει την γονιδιακή έκφραση. Οι σύγχρονες κλινικές δοκιμές υπερθερμίας εστιάζουν κυρίως στη βελτιστοποίηση της θερμικής ομοιογένειας στις μέσες θερμοκρασίες (42-43 o C)στον όγκο του στόχου, ένα πρόβλημα το οποίο απαιτεί εκτενείς τεχνικές προσπάθειες και σύγχρονα θεραπευτικά και θερμομετρικά συστήματα. Η θέρμανση στις θερμοκρασίες υπερθερμίας προκαλεί κυτταρική αδρανοποίηση με έναν τρόπο που εξαρτάται από τη δόση της θερμότητας. Παρόλο που οι καμπύλες της θερμικής δόσηςαπόκρισης μοιάζουν αρκετά με τις καμπύλες τις ακτινοβόλησης ή της δόσης των φαρμάκων, ο κρίσιμος στόχος της θερμικής αδρανοποίηση του κυττάρου δεν είναι ακόμη γνωστός. Ο πιο πιθανός λόγος γι αυτό είναι ότι δεν υπάρχει ένας μεμονωμένος κυτταρικός στόχος υπερθερμίας, σε σύγκριση με τον πολύ καλά γνωστό, αυτό της καταστροφής του DNA μετά από ακτινοβόληση. Τα περισσότερα από τα βιολογικά κύτταρα, ειδικά μερικές πρωτεΐνες οι οποίες σχετίζονται με την κυτταρική ανάπτυξη και διαίρεση και με την έκφραση ορισμένων μορίων δεκτών, επηρεάζονται σε πολύ μεγάλο βαθμό από την υπερθερμία. Στο Σχήμα 12 διακρίνεται η διεργασία που διατελούν μέσα σε ένα κύτταρο τα μαγνητικά νανοσωματίδια. Σχήμα 12. Αναπαράσταση μη ειδικευμένης (στα δεξιά του κυττάρου) και ειδικής (στα αριστερά του κυττάρου) έγχυσης του κυττάρου με μαγνητικά νανοσωματίδια. Τα νανοσωματίδια και στις δύο περιπτώσεις, εντοπίζονται στα ενσώματα, εμφανιζόμενα είτε μέσα στο κύτταρο, είτε στα λιωσίματα για αποικοδόμηση [C.C.Berry, 29] σελ. 24 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

25 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Σήμερα, πολλά κυτταρικά φαινόμενα είναι γνωστό ότι συνεισφέρουν σημαντικά στη θερμική αδρανοποίηση. Νέες έρευνες της μοριακής βιολογίας έχουν δείξει ότι μερικά λεπτά μετά την υπερθερμία, μια ειδική τάξη πρωτεϊνών εκκρίνονται στο κάθε κύτταρο, οι ονομαζόμενες πρωτεΐνες θερμικού σοκ (heat shock proteins, hsp). Προστατεύουν το κύτταρο από την περαιτέρω θέρμανση ή και από τις ακόλουθες θερμικές διεργασίες και οδηγούν σε μια αύξηση του χρόνου ζωής του κυττάρου μετά την προθέρμανση. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται θερμο-ανοχή (thermotolerance). Επίσης, η δραστηριότητα συγκεκριμένων πρωτεϊνών επηρεάζεται από την υπερθερμία και μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγή του κύκλου ζωής του κυττάρου ή να προκαλέσει απόπτωση ή ακόμα και το θάνατο του κυττάρου από τον ίδιο το μηχανισμό του κυττάρου. Ένα από τα θέματα που χρίζουν μελέτης είναι και η θερμική ανοχή των κυττάρων αλλά και η αντίσταση τους στην φαρμακευτική εναπόθεση. Η συνδυασμένη επίδραση της ακτινοβόλησης και της υπερθερμίας λαμβάνει χώρα στο κυτταρικό επίπεδο και οφείλεται κυρίως στην δυσλειτουργία λόγω της επαγόμενης θερμότητας, αφού έχει προηγηθεί η καταστροφή του DNAλόγω ακτινοβόλησης. Ο χρόνος που θα πρέπει να γίνει η θέρμανση καθορίζεται αρχικά, αφού πρέπει να είναι ο κατάλληλος χρόνος πριν ή μετά την ακτινοβόληση για τη σωστότερη και αποτελεσματικότερη εκτέλεση της θεραπείας. Πολλά φαινόμενα μπορούν να παρατηρηθούν στους ιστούς που βρίσκονται στο στόχο της θεραπείας, όπως αλλαγές στα αγγεία, στη ροή του αίματος, στην κατάσταση του οξυγόνου και της ενέργειας. Σχήμα 13.(Α)Μαγνητο-λιποσώματα συζευγμένα με αντισώματα (Antibody-conjugated magnetoliposomes (AMLs) για ενεργή στόχευση. Τα νανοσωματίδια μαγνητίτη έχουν σκεπαστεί μέσα σε ένα ουδέτερο λιπόσωμα και ένα αντίσωμα G25 έχει συνδεθεί στην επιφάνεια του λιποσώματος. (Β) Συμπεριφορά του μαγνητίτη στο G25 για καρκίνωμα και διάφορα όργανα 48 ώρες μετά από την εισαγωγή του AML [Ito et al., 25] Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 25

26 Κεφάλαιο 1 ο : Μαγνητικές Νανοδομές Τα καρκινικά κύτταρα που έχουν υποστεί θερμική διεργασία μπορούν να γίνουν εύκολα αναγνωρίσιμα, από το ανοσοποιητικό σύστημα λόγω των εναλλαγών των μορίων-δεκτών των επιφανειών ορισμένων κυττάρων, τα οποία μετά αναγνωρίζονται ως κύτταρα φυσικοί δολοφόνοι (Natural Killer Cells, NK)και αδρανοποιούν τα καρκινικά κύτταρα. Όλες αυτές οι κυτταρικές διεργασίες όμως, κατά τη διάρκεια της υπερθερμίας ή και μετά από αυτή βρίσκονται ακόμα υπό έρευνα. Στο Σχήμα 13 φαίνεται ένα παράδειγμα υπερθερμίας με μαγνητικά νανοσωματίδια και λιποσώματα. Μια αναπαράσταση του τρόπου με τον οποίο εφαρμόζεται η μαγνητική υπερθερμία φαίνεται και στο Σχήμα 27 σε παρακάτω κεφάλαιο της παρούσας εργασίας, όπου φαίνεται πώς γίνεται η εισαγωγή των νανοσωματιδίων στον οργανισμό και η κατεύθυνσή τους με το μαγνητικό πεδίο, στον επιθυμητό στόχο. 1.5 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Η εργασία αυτή περιλαμβάνει τη μελέτη μαγνητικών νανοσωματιδίων με κύριο συστατικό το Fe. Ο σκοπός της εργασίας αυτής είναι να μελετηθεί η θερμική απόκριση μαγνητικών νανοσωματιδίων και να βρεθούν οι κατάλληλες πειραματικές παράμετροι (π.χ. μορφολογία, μέγεθος, συγκέντρωση, συνδυασμός φάσεων) που θα διευκολύνουν την τεχνολογική τους αξιοποίηση στην μαγνητική υπερθερμία. Πίνακας 2: Συγκεντρωτικός πίνακας δειγμάτων νανοσωματιδίων οξειδίων του Fe που μελετώνται στην εργασία Δείγμα Τύπος Μέγεθος F4 γ-fe 2 O 3 + Fe 3 O 4 4 nm F5 γ-fe 2 O 3 + Fe 3 O 4 5 nm F8 γ- Fe 2 O 3 +Fe 3 O 4 8 nm F9 γ-fe 2 O 3 + Fe 3 O 4 9 nm F13 γ-fe 2 O 3 + Fe 3 O 4 13 nm F18 γ-fe 2 O 3 + Fe 3 O 4 18 nm σελ. 26 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

27 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Γνωρίζουμε ότι για αύξηση της θερμοκρασίας ο C τα καρκινικά κύτταρα νεκρώνονται, ενώ σε υψηλότερες θερμοκρασίες >5 ο C το σύνολο των κυττάρων οδηγούνται σε πλήρη καταστροφή. Συνεπώς θεωρώντας σαν θερμοκρασία αναφοράς τους 37 ο C, θεωρούμε κατάλληλα τα συστήματα που η διαφορά θερμοκρασίας Δθ κυμαίνεται μεταξύ 4 ο Cκαι 8 o C. Ένα σημαντικό κριτήριο για την επιλογή ενός συστήματος για μαγνητική υπερθερμία είναι να έχει το αναμενόμενο θερμικό αποτέλεσμα στο μικρότερο δυνατό χρόνο και υπό το μικρότερο δυνατό πεδίο, ώστε να ελαχιστοποιηθεί ο παράγοντας δυσφορίας του ασθενούς που υπόκειται στη συγκεκριμένη θεραπεία αλλά και η θερμική καταπόνηση των γειτονικών υγιών κυττάρων. Τα συστήματα νανοσωματιδίων συντέθηκαν με την μέθοδο της θερμικής αποικοδόμησης, τα δομικά τους χαρακτηριστικά μελετήθηκαν με περίθλαση ακτίνων-χ και τεχνικές μικροσκοπίας και τα μαγνητικά τους χαρακτηριστικά καταγράφηκαν με τεχνικές στατικής μαγνητομετρίας (VSM και SQUID). Η σύνοψη των παραμέτρων σύνθεσης καθώς και των δομικών και μαγνητικών χαρακτηριστικών γίνεται στο 2 ο κεφάλαιο. Η θερμική απόκριση των διαλυμάτων μετρήθηκε σε δείγματα νανοσωματιδίων όγκου 1,5 ml και διαλύτη εξάνιο και αναπτύσσεται διεξοδικά στο 3 ο κεφάλαιο. Η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε ήταν μια συσκευή μαγνητικής επαγωγής που παράγει εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο σταθερής συχνότητας f=765 khz και έχει δυνατότητα μεταβολής της έντασης του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου (οι μετρήσεις πραγματοποιηθήκαν για 6 τιμές πεδίου: 145, 175, 22, 25, 28 Oe) και για διαφορετικά κλάσματα της αρχικής συγκέντρωσης των διαλυμάτων, ενώ τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αντίστοιχες μελέτες της διεθνούς βιβλιογραφίας. Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 27

28 Κεφάλαιο 1 ο : Μαγνητικές Νανοδομές σελ. 28 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

29 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ FE-ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ 2.1. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ Υπάρχει ένας ήδη μεγάλος αριθμός μεθόδων παρασκευής μαγνητικών νανοσωματιδίων και ειδικότερα νανοσωματιδίων σιδήρου. Εκείνες οι μέθοδοι που ενδιαφέρουν στο παρόν πόνημα είναι αυτές που σχετίζονται με τη γρήγορη και αξιόπιστη παρασκευή και μεταχείριση των μαγνητικών νανοσωματιδίων για εφαρμογές στη βιοϊατρική τεχνολογία. Είναι γνωστό ότι το μέγεθος και η σύσταση επηρεάζουν τις βιο-εφαρμογές των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Έτσι, για τη θεραπεία της υπερθερμίας, παραδείγματος χάριν, σωματίδια μεταξύ των ορίων του singledomainκαι multi-domain, είναι κατάλληλα για αυτή τη χρήση, δηλαδή σωματίδια, το μέγεθος των οποίων είναι κάτω των 5nm. Στα σωματίδια οξειδίων σιδήρου, οι διαφορές στο μέγεθος και στο Σχήμα αντικατοπτρίζονται σε σημαντικές διαφοροποιήσεις στο λόγο των σταθερών αφηρέμησης, όπως έχει εξηγηθεί και παραπάνω. Αυτοί οι παράγοντες, επηρεάζουν την δυνατότητά τους για ενεργοποίηση της ροής θερμότητας ή και άλλων ιδιοτήτων, που καθορίζονται από την εφαρμογή. Υδρο-συμβατά σωματίδια μαγκεμίτη-μαγνητίτη παρασκευάζονταν με κατακρήμνιση άλατος σιδήρου σε υδατικό μέσο εδώ και πάνω από μια δεκαετία. Τα νανοσωματίδια σιδήρου που συντίθενται με αυτές τις μεθόδους, είναι αναγκαίο να επικαλυφθούν με πολυμερή, δενδριμερή, οργανικά οξέα, φθοριούχα σύνθετα, σάκχαρα κλπ. για να εξασφαλιστεί η κολλοειδής σταθερότητά τους υπό φυσιολογικές συνθήκες, αλλά και η ενισχυμένη λειτουργικότητά τους. Αυτό μπορεί να συμβεί είτε κατά τη διάρκεια της σύνθεσης, είτε μετά από αυτή. Μια από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους παραγωγής πολύ μικρών νανοσωματιδίων είναι η arrested precipitation method ή αλλιώς μέθοδος ελεγχόμενης καταβύθισης, στην οποία ένα μόριο (βάση) προστίθεται στο μίγμα άλατος Fe 2+ /Fe 3+ υπό αδρανή ατμόσφαιρα σε θερμοκρασία δωματίου ή σε αυξανόμενη θερμοκρασία. Αυτό το μόριο λειτουργεί ως ένας αναστολέας ανάπτυξης, επικαλύπτοντας την επιφάνεια του σωματιδίου, μετά από τη διαδικασία πυρηνοποίησης και αποτρέποντας την περαιτέρω ανάπτυξη και τα βήματα συσσωμάτωσης. Συχνά, αυτά τα μόρια, προστατεύουν την επιφάνεια του σωματιδίου από ανεπιθύμητες αντιδράσεις, όπως η οξείδωση και προμηθεύει διαφορετικές ενεργές ομάδες, όπου και προτείνει έναν αριθμό επιλογών για άλλες αντιδράσεις σύζευξης. Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 29

30 Κεφάλαιο 2 ο : Μαγνητικά νανοσωματίδια Fe-Δομή και Ιδιότητες Η κατακρήμνιση αντίστροφων μικκυλίων (precipitation in reverse microemulsions) είναι μια πολύ καλά εδραιωμένη τεχνική για την προετοιμασία μαγνητικών σωματιδίων, με διαμέτρους κάτω των 1nm. Είναι μια θερμοδυναμικά σταθερή ισοτροπική διάχυση δύο αμιγών υγρών, όπου τα μικροσταγονίδια του ενός ή και των δύο υγρών, σταθεροποιούνται από ένα επιφανειακό φιλμ επιφανειοδραστικών μορίων. Σε μικκύλια water-in-oil, η υδατική φάση διασκορπίζεται ως νανο-σταγονίδια περιβαλλόμενα από ένα μονό στρώμα επιφανειοδραστικών μορίων σε συνεχή υδροφοβική φάση. Το μέγεθος των αντίστροφων μικκυλίων καθορίζεται από το μοριακό λόγο του νερού στα επιφανειοδραστικά. Αναμιγνύοντας τα δύο αμιγή υγρά, τα waterin-oilμικκύλια περιέχοντας τα κατάλληλα αντιδραστήρια, θα συγκρούονται συνεχώς, θα ενώνονται και θα διαχωρίζονται ξανά όπου τελικά ένα κατακρήμνισμα θα αρχίσει να συγκροτείται στο μικκύλιο. Με την πρόσθεση ενός διαλύτη, όπως ακετόνης ή αιθανόλης, στα μικκύλια, το κατακρήμνισμα μπορεί να φιλτραριστεί και να διαχωριστεί και μπορεί μετέπειτα να χρησιμεύσει ως νανο-αντιδραστήριο για τη δημιουργία των νανοσωματιδίων. Τα σωματίδια αυτής της μεθόδου, μπορούν να έχουν μια περιορισμένη κατανομή μεγεθών, μεταβάλλοντας τη σχετική συγκέντρωση των αλάτων σιδήρου, των επιφανειοδραστικών και του διαλύτη. Το παρελθόν μειονέκτημα της χαμηλής απόδοσης αυτή της μεθόδου έχει ξεπεραστεί, με τη χρήση διφασικών μικκυλίων καθώς διατηρούνται οι ιδιότητες των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Η θερμική αποικοδόμηση (thermal decomposition) οργανομεταλλικών χημικών ενώσεων βρίσκεται στο επίκεντρο τα τελευταία χρόνια. Αυτή η μέθοδος έχει μερικά πλεονεκτήματα από ότι οι συμβατικές διαδικασίες, όπως είναι ο ακριβής έλεγχος του μεγέθους και του Σχήματος, υψηλή κρυσταλλικότητα και περιορισμένη έκταση της κατανομής των μεγεθών των σωματιδίων. Η χρήση, όμως μη-πολικών διαλυτών και διαφορετικών μη-βιοσυμβατών επιφανειοδραστικών έχει στρέψει την ιατρική κοινότητα προς την αμφιβολία, για την καταλληλότητα της μεθόδου για βιοϊατρικές εφαρμογές. Ο ακετυλ-οξικός σίδηρος (Fe(acac) 3 ) έχει προταθεί ως μια εξαιρετική πρόδρομη ένωση σιδήρου, για τη σύνθεση μιας βαθμίδας μαγνητικών νανοσωματιδίων με βελτιωμένο έλεγχο του μεγέθους. Επίσης άλλη μια μέθοδος είναι και η απευθείας σύνθεση σε πολικό οργανικό διαλύτη, με την παρουσία υδρόφιλου πολυμερούς ή ένωσης. Τα νανοσωματίδια που προκύπτουν είναι υδροφιλικά μαγνητικά νανοσωματίδια και είναι απευθείας έτοιμα για βιοϊατρικές εφαρμογές. Με αυτή τη μέθοδο έχουν παρασκευασθεί νανοσωματίδια μαγνητίτη με μέγεθος 5 nm, χρησιμοποιώντας ως υποδοχέα Fe(acac) 3 και 2-πυρολιδόνηκαι ως επιφανειοδραστικό αλλά και ως διαλύτη. σελ. 3 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

31 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή των δειγμάτων του πειράματος του παρόντος πονήματος, ήταν η θερμική αποικοδόμηση (thermal decomposition), με διαφορετικές συνθήκες και διαφορετικά αντιδραστήρια ή ποσότητα αρχικών αντιδραστηρίων. Η σύνθεση ημιαγωγικών νανοκρυστάλλων υψηλής ποιότητας με τη μέθοδο της θερμικής αποικοδόμησης, ενέπνευσε για την εύρεση παρόμοιων μεθόδων για σύνθεση μαγνητικών σωματιδίων με ελεγχόμενο μέγεθος και σχήμα. Η συγκεκριμένη μέθοδος περιλαμβάνει τη θερμική αποικοδόμηση οργανομεταλλικών ενώσεων σε οργανικούς διαλύτες σε βρασμό, που περιέχουν επιφανειοδραστικά μόρια, ως σταθεροποιητές και με αυτό τον τρόπο μπορούν να συντεθούν μαγνητικά νανοσωματίδια με μικρότερα μεγέθη. Οι λόγοι των αρχικών αντιδραστηρίων, περιλαμβάνοντας τα οργανομεταλλικά στοιχεία, τα επιφανειοδραστικά και τους διαλύτες, είναι οι καθοριστικοί παράμετροι για τον έλεγχο του μεγέθους και της μορφολογίας των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Η θερμοκρασία της αντίδρασης, ο χρόνος της αντίδρασης, όπως επίσης και η περίοδος γήρανσης, μπορεί να είναι καθοριστικά για την επίτευξη του ακριβούς μεγέθους και της επιθυμητής μορφολογίας. Τα νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου έχουν κινήσει το ενδιαφέρον, λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων τους και των ενδεχόμενων εφαρμογών τους, σε διάφορα τεχνολογικά πεδία. Πιο συγκεκριμένα, είναι σημαντικά, κυρίως, στη βιοϊατρική λόγω των μικρών μεγεθών τους σε σύγκριση με τις βιολογικές μονάδες, λόγω της δυνατότητας ελεγχόμενης μεταφοράς στο ανθρώπινο σώμα και λόγω της ικανότητάς τους να παράγουν σήμα υπό την επίδραση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου ή την ιδιότητα μεταφοράς ενέργειας, όταν εφαρμόζεται ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Με τη θερμική αποικοδόμηση, δίνεται η δυνατότητα παραγωγής σταθερών μονοδιασπαρμένων εναιωρημάτων με τη δυνατότητα της αυτό-οργάνωσης. Η πυρηνοποίηση λαμβάνει χώρα καθώς μια μεταλλική πρόδρομη ένωση προστίθεται μέσα σε θερμαινόμενο διάλυμα παρουσία επιφανειοδραστικού, ενώ το στάδιο της ανάπτυξης λαμβάνει χώρα σε υψηλότερες θερμοκρασίες αντίδρασης. Η σύνθεση και το μέγεθος των σχηματιζόμενων σωματιδίων εξαρτάται από παραμέτρους, όπως ο χρόνος της αντίδρασης, η θερμοκρασία και το μήκος των μορίων του επιφανειοδραστικού. Στην περίπτωση του νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου, η θερμική αποικοδόμηση της πρόδρομης ένωσης, οδηγεί, αρχικά, στο σχηματισμό των νανοσωματιδίων σιδήρου και ακολουθείται από μια διαδικασία οξείδωσης, η οποία λαμβάνει χώρα μετά από έκθεση του δείγματος σε ατμοσφαιρικό αέρα. Από τη στιγμή που η οξείδωση, Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 31

32 Κεφάλαιο 2 ο : Μαγνητικά νανοσωματίδια Fe-Δομή και Ιδιότητες υπό φυσιολογικές συνθήκες, είναι αναπόφευκτη, είναι σημαντικό να ελεγχθεί το μονοπάτι της αντίδρασης και επομένως, οι μαγνητικές ιδιότητες του τελικού ή των τελικών προϊόντων. Το αποτέλεσμα τέτοιων συνθετικών διαδικασιών, συνήθως, είναι ένα μίγμα μαγνητίτη και μαγκεμίτη, με μεταβαλλόμενη αναλογία. Παρ όλα αυτά, είναι δυνατή η επιλογή της σύνθεσης ενός μόνο από τα οξείδια, αλλάζοντας την πρόδρομη ένωση και το διάλυμα ή προσθέτοντας ένα οξειδωτικό αντιδραστήριο. Σχήμα 14.Ο σχηματισμός των νανοκρυστάλλων Fe 3 O 4. Η μεσαία και δεξιά εικόνα είναι εικόνεςtemαπό τους νανοκρυστάλλους σε διαφορετικούς χρόνους της αντίδρασης [Shuth et al., 27]. Όσον αφορά στη διαδικασία καθ εαυτή της θερμικής αποικοδόμησης, ο πεντακαρβονυλικός σίδηρος, Fe(CO) 5 είναι μετασταθής οργανομεταλλική ένωση, της οποίας η εύκολη αποικοδόμηση, την έχει καταστήσει εξαιρετικά χρήσιμο αντιδραστήριο. Το γεγονός ότι η πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού του είναι μόνο 185 kcal/mol και ότι τα πέντε μόρια του μονοξειδίου του άνθρακα (CO), με τα οποία συνδέεται το καθένα έχει ενθαλπία σχηματισμού 11,5 kcal/mol συμβάλουν στην τάση της να διασπάται. Μολονότι το μόριο αποσυντίθεται εύκολα, η αντίδραση αποσύνθεσης είναι εξαιρετικά πολύπλοκη. Έχουν γίνει πολλές μελέτες για την αποσύνθεση του Fe(CO) 5 αλλά δεν είναι εύκολο να προταθεί ένας ακριβής σχετικός μηχανισμός. Η αποσύνθεση δεν ακολουθεί πάντα μία πορεία και μία σειρά ενδιάμεσων Fe(CO) 5 και συσσωματωμάτων σιδήρου μπορούν να σχηματιστούν για την κατάλυση της αντίδρασης (Σχήμα 15). Πλήθος διαλυτών και άλλων στοιχείων, μπορούν να δράσουν ως καταλύτες στην αντίδραση. Το αποτέλεσμα είναι η συχνή αλλαγή ρυθμού και τάξης αντίδρασης, γεγονός που αποτελεί αστάθμητο παράγοντα για την ανάπτυξη νανοσωματιδίων ελεγχόμενου μεγέθους και Σχήματος. Αντίθετα, η ευκολία χρήσης της και η έλλειψη παραπροϊόντων στην αντίδραση αυτή, καθιστούν την αποικοδόμηση του πεντακαρβονυλικού σιδήρου μια συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδο σύνθεσης νανοσωματιδίων. Αυτό που χρειάζεται για το σχηματισμό των νανοσωματιδίων είναι η προσφορά ενέργειας, υπό μορφή θερμότητας σελ. 32 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

33 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ στο Fe(CO) 5, ένας κατάλληλος διαλύτης διασποράς και κάποιο μέσο για την απομάκρυνση του μόνου παραπροϊόντος της αντίδρασης, δηλαδή του μονοξειδίου του άνθρακα (CO). Σχήμα 15.Ο μηχανισμός απόσύνθεσης του πεντακαρβονυλικού σιδήρου. Αυτές οι αντιδράσεις είναι αντιπροσωπευτικές για τα πρώτα στάδια και παρουσιάζουν την πολυπλοκότητα της αντίδρασης[βούτου, Μαγνητική Υπερθερμία, 28]. Αξίζει να σημειωθεί, ότι όταν τα δείγματα ξηραίνονται για παρατήρηση στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, τα μαγνητικά νανοσωματίδια αυθόρμητα σχηματίζουν αλυσίδες, μερικές από τις οποίες σχηματίζουν κλειστούς βρόχους, ελαχιστοποιώντας έτσι τη μαγνητοκρυσταλλική τους ενέργεια. Η δημιουργία τέτοιων αλυσίδων απαιτεί ισορροπία σε διαστάσεις και σε δυνάμεις αλληλεπίδρασης. Αν τα σωματίδια είναι ασθενώς μαγνητικά ή τα επιφανειοδραστικά είναι επιμήκη και ογκώδη, τότε τα σωματίδια δε θα έλκουν μαγνητικά το ένα το άλλο και θα παρατηρούνται εξαγωνικά δίκτυα (κυψέλες). Αν τα σωματίδια είναι ισχυρά μαγνητικά ή το επιφανειοδραστικό μόριο έχει αρκετά μικρό μέγεθος, τα σωματίδια θα συσσωματώνονται πολύ γρήγορα σε τρισδιάστατες δομές λόγω των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Μια εναλλακτική μέθοδος που παρουσιάζει ικανότητα σύνθεσης μαγνητικών σωματιδίων σιδήρου χρησιμοποιεί καταλύτη Pt, με μαγνητικές ιδιότητες ίδιες με αυτές κατά την ανάπτυξη με χρήση πολυμερών επιφανειοδραστικών. Η αντίδραση αρχίζει με το σχηματισμό in situπυρήνων πλατίνας που διαμορφώνονται μετά από αντίδραση σχεδιασμένη για τη σύνθεση σωματιδίων κράματος σιδήρου-πλατίνας (Σχήμα 16). Αυτοί οι πυρήνες, στη συνέχεια, χρησιμοποιούνται ως καταλύτες στην αποσύνθεση του Fe(CO) 5. Στη μέθοδο παρατηρήθηκε η ύπαρξη επιφανειακού στρώματος οξειδίου πάχους < 1nm. Πιθανές εξηγήσεις για αυτό το στρώμα, μπορεί να είναι, η μη Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 33

34 Κεφάλαιο 2 ο : Μαγνητικά νανοσωματίδια Fe-Δομή και Ιδιότητες καθαρότητα των συστατικών, ο διαλύτης (ελαϊκό οξύ) που οξειδώνει το σίδηρο, ή η αντίδραση του διαλύτη (οξέως) και της επιφανειοδραστικής ουσίας (αμίνης) που οδηγεί σε σχηματισμό νερού. Σχήμα 16. Σχηματική αναπαράσταση της ετερογενούς σύνθεσης των νανοσωματιδίων Fe 3 O 4. Σχηματισμός πυρήνωνpt (α), πυρηνοποίηση και ανάπτυξη του Fe κατά τη διάρκεια του πρώτου σταδίου (b), διάχυση του Fe στον πυρήνα σε υψηλές θερμοκρασίες (c), αύξηση του μεγέθους των φλοιών Fe κατά τη διάρκεια του δεύτερου σταδίου (d), και οξείδωση του φλοιού του Fe μετά από έκθεση στην ατμόσφαιρα (e) [Simeonidis et al., 28]. Τα δείγματα που μελετώνται στην παρούσα εργασία είναι νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου. Ονομαστικά είναι τα F4 (4 nm), F5 (5 nm), F8 (8 nm), F9 (9 nm), F13 (13 nm) και F18 (18 nm). Για την παρασκευή του F4 χρησιμοποιήθηκαν τα εξής αντιδραστήρια: 2 ml διφαίνυλαιθέρα ως διαλύτη, 2 ml (6 mmole) ελαϊκού οξέος και 2 ml (6 mmole) ελαϊκής αμίνης ως επιφανειοδραστικά,,71g Fe(acac) 3 και 2,58 g 1,2-δεκαεξανοδιόλης. Το μίγμα θερμάνθηκε στους 2 ο Cόπου παρέμεινε για 3 min. Η ροή Ar ήταν η ελάχιστη δυνατή. Στο σημείο αυτό, παρατηρείται η αλλαγή χρώματος από έντονο κόκκινο σε σκούρο καφέ. Στη συνέχεια, το μίγμα θερμάνθηκε στους 262 ο C που είναι και το σημείο βρασμού και διατηρήθηκε σε επαναρροή για 3 min. Μετά από ψύξη έγινε φυγοκέντριση δύο φορές, με αιθανόλη (υπερκείμενο κίτρινο-καφέ και διαυγές), μία με αιθανόλη-εξάνιο ελαϊκό οξύ και ελαϊκή αμίνη και διασπορά σε εξάνιο. Για την παρασκευή του F9, μεγέθους 9nm, χρησιμοποιήθηκαν αρχικά, τα εξής αντιδραστήρια: 15 ml διόκτυλαιθέρα ως διαλύτη,,29 ml ελαϊκού οξέος και,3 ml ελαϊκής αμίνης ως επιφανειοδραστικά,,4 g Pt(acac) 2 και,15 g1,2-δεκαεξανοδιόλης. Το μίγμα θερμάνθηκε στους 1 ο Cόπου έγινε αργή προσθήκη,2 ml Fe(CO) 5 και στη συνέχεια στους 291 ο C,όπου έγινε επαναρροή. Η αλλαγή χρώματος από πορτοκαλί σε μαύρο παρατηρήθηκε στους 15 ο C. Προστέθηκαν ακόμη 15 ml διόκτυλαιθέρα και 1,2 ml Fe(CO) 5 στους 1 ο C προτού η θερμοκρασία ανέβει στο σημείο βρασμού, όπου διατηρήθηκε για 9 min. Μετά τα 5 min, η θερμοκρασία υποχωρεί κατά 6 o C φτάνοντας τους 285 ο C, γεγονός που ίσως προδίδει ολοκλήρωση σελ. 34 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

35 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ της αντίδρασης ή άλλη αλλαγή της υφής του δείγματος. Τέλος, το δείγμα ψύχθηκε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Στο δείγμα F9 που προέκυψε, έγινε πλύση με αιθανόλη και φυγοκέντριση με εξάνιο. Το ίζημα διαλύθηκε σε εξάνιο ενώ προστέθηκαν,1 ml ελαϊκού οξέος και,12 ml ελαϊκής αμίνης. Για το δείγμα F18, μεγέθους νανοσωματιδίων 18nm, χρησιμοποιήθηκαν 15 ml διόκτυλαιθέρα, 2,25 ml ελαϊκού οξέος και,3 mlfe(co) 5 που προστέθηκαν στους 1 ο C. Το μίγμα έμεινε σε βρασμό για 12 min και εν συνεχεία ψύχθηκε, ενώ ακολούθησαν δύο πλύσεις με αιθανόλη και φυγοκέντριση. Σε δεύτερο στάδιο έγινε αναδιάλυση σε μίγμα εξανίου, αιθανόλης και ελαϊκού οξέος (1 ml) και ακολούθησε φυγοκέντριση. Το προϊόν πλύθηκε άλλη μια φορά με αιθανόλη και φυγοκέντριση πριν διαλυθεί σε εξάνιο και επιπλέον ελαϊκό οξύ (2,5 ml). Τα υπόλοιπα 3 δείγματα, δηλαδή τα F5, F8και F13, παρασκευάσθηκαν από μονοδιάσπαρτα νανοσωματίδια Feτα οποία προετοιμάστηκαν μέσω της μεθόδου της θερμικής αποικοδόμησης του Fe(CO) 5, όπως περιγράφηκε παραπάνω. Σε μια τυπική διαδικασία σύνθεσης, ετερογενούς πυρηνοποίησης, για να παρασκευαστούν εν παραδείγματι, νανοσωματίδια των 13nm, πρέπει να προστεθούν,2 ml Fe(CO) 5 (1,52 mmol) σε ένα μίγμα αποτελούμενο από 1 ml οκτυλαιθέρα και 1,7g ελαϊκού οξέος (6,8 mmol) στους 1 ο C (1:4 μοριακός λόγος του Fe(CO) 5 προς το ελαϊκό οξύ). Το μίγμα που προέκυψε αναθερμάνθηκε ( ~ 28 o C) και κρατήθηκε σε αυτή τη θερμοκρασία για 2 ώρες. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το χαρακτηριστικό πορτοκαλί χρώμα του διαλύματος μετατράπηκε σε μαύρο, ενδεικτικό της παρουσίας του Fe. Όταν το αρχικό μίγμα της αντίδρασης περιέχει Fe(CO) 5 και ελαϊκό οξύ σε μοριακή αναλογία 1:1 και 1:2, τότε προκύπτουν νανοκρυσταλλίτες με μεγέθη 5 και 8 nm, αντιστοίχως. Εν συνεχεία, το μαύρο διάλυμα που προέκυψε, ψύχθηκε σε θερμοκρασία δωματίου και έγινε προσθήκη αιθανόλης για να γίνει ο διαχωρισμός ενός μαύρου ιζήματος, το οποίο τελικώς, διαχωρίστηκε με φυγοκέντριση. Το υπερκείμενο απορροφήθηκε και τα σωματίδια αναδιασπάρθηκαν σε χλωροφόρμιο. Αυτή η ακολουθία πλύσης επαναλήφθηκε τρεις φορές ώστε να αφαιρεθεί το πλεονάζων επιφανειοδραστικό από το διάλυμα. Για διαλύματα που περιέχουν τα λιγοστά σωματίδια, η θέρμανση των κολλοειδών εναιωρημάτων από τις κρυογενικές θερμοκρασίες, υπό την παρουσία ενός μόνιμου μαγνήτη, ήταν επίσης συμπληρωματική στη ρουτίνα της φυγοκέντρισης. Οι αντιδράσεις αναγωγής κατά τη διάρκεια της προετοιμασίας διαφορετικών νανοσωματιδίων έλαβαν χώρα μέσα σε ατμόσφαιρα αργού (Ar). Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 35

36 Κεφάλαιο 2 ο : Μαγνητικά νανοσωματίδια Fe-Δομή και Ιδιότητες Πίνακας 3: Συγκεντρωτικός πίνακας χαρακτηριστικών των κολλοειδών διαλυμάτων που προέκυψαν σε κάθε περίπτωση. Δείγμα Τύπος Μέγεθος Αρχική Συγκέντρωση F4 γ-fe 2 O 3 + Fe 3 O 4 4 nm 1.61 mg/ml F5 γ-fe 2 O 3 + Fe 3 O 4 5 nm.36 mg/ml F8 γ- Fe 2 O 3 +Fe 3 O 4 8 nm.29 mg/ml F9 γ-fe 2 O 3 + Fe 3 O 4 9 nm.13 mg/ml F13 γ-fe 2 O 3 + Fe 3 O 4 13 nm.26 mg/ml F18 γ-fe 2 O 3 + Fe 3 O 4 18 nm 1.2mg/ml Μεθοδολογία Σύνθεσης Θ ε ρ μ ι κ ή α π ο ι κ ο δ ό μ η σ η F e ( C o ) 5 Παράμετροι Διαλύτης, Επιφανειοδραστικά Διαλύτης: 2 mlδιφαίνιλαιθέρα Επιφανειοδραστικά: 2 mlελαϊκό οξύ 2 mlελαϊκή αμίνη Διαλύτης: 1 mlοκτυλαιθέρα Επιφανειοδραστικά: 1,7 g ελαϊκό οξύ Διαλύτης: 1 mlοκτυλαιθέρα Επιφανειοδραστικά: 1,7 gελαϊκό οξύ Διαλύτης: 15 mlδιόκτυλαιθέρα Επιφανειοδραστικά:,29 ml ελαϊκό οξύ,3 mlελαϊκή αμίνη Διαλύτης: 1 mlοκτυλαιθέρα Επιφανειοδραστικά: 1,7 g ελαϊκό οξύ Διαλύτης: 15 mlδιόκτυλαιθέρα Επιφανειοδραστικά: 2,25 ml ελαϊκό οξύ 2.2. ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ Τα δείγματα που μετρήθηκαν υποβλήθηκαν σε μετρήσεις XRD και TEM, ώστε να διαπιστωθεί η ακριβής τους σύσταση. Ο χαρακτηρισμός των δειγμάτων έγινε με περιθλασίμετρο XRD και ηλεκτρονικό μικροσκόπιο ΤΕΜ. Στο Σχήμα 17 φαίνονται τα φάσματα περίθλασης ακτίνων-x για τα δείγματα F4, F9 και F18 και οι αντίστοιχες ανακλάσεις αναφοράς για τον μαγνητίτη (PDF#19-629) και τον μαγκεμίτη(pdf# ) που βρίσκονται κάτω από τη διακριτική ικανότητα της πειραματικής μέτρησης. Το μέγεθος των κόκκων υπολογίζεται προσεγγιστικά από τη θέση των τριών πιο ισχυρών ανακλάσεων (Fe 3 O 4 -γ-fe 2 O 3 : (311) ο ο, (44) o o, (511) o ο ) του πειραματικού φάσματος περίθλασης ακτίνων-χ με την βοήθεια της σχέσης του Scherrer: D. (16) σελ. 36 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

37 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ όπου λ το μήκος κύματος της ακτινοβολίας, θ η γωνία της κύριας ανάκλασης και b, το εύρος της κορυφής στο ½ του μέγιστου ύψους (Full Width Half Maximum). 7 6 F4 Fe 3 O 4 γ-fe 2 O 3 Ένταση (αυθ.μον.) θ Ένταση (αυθ.μον.) F9 Fe 3 O 4 γ-fe 2 O 3 Ένταση (αυθ.μον.) θ F18 Fe 3 O 4 γ-fe 2 O Σχήμα 17.Φάσματα περίθλασης ακτίνων-χ για τα δείγματα F4, F9, F18. 2θ Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 37

38 Κεφάλαιο 2 ο : Μαγνητικά νανοσωματίδια Fe-Δομή και Ιδιότητες Από τις ανακλάσεις που εμφανίζονται στα τρία δείγματα του Σχήματος 17 φαίνεται ότι σε κάθε περίπτωση στα δείγματα κυριαρχεί η παρουσία οξειδίων του σιδήρου(μαγνητίτη ή/και μαγκεμίτη), χωρίς να μπορεί να αποσαφηνιστεί με ακρίβεια ποιο από τα δύο οξείδια κυριαρχεί από την παρουσία των πειραματικών ανακλάσεων που βρίσκονται πολύ κοντά, ταυτοποιούνται με αρκετή αξιοπιστία και με τις αντίστοιχες ανακλάσεις αναφοράς του κάθε οξειδίου. Στο Σχήμα 16 δίνονται σε παράθεση τα φάσματα περίθλασης ακτίνων-χ για τα δείγματα F5, F8 και F13. Όπως προκύπτει από την συγκριτική αποτίμηση η αύξηση του μέσου μεγέθους των νανοσωματιδίων έχει θετική επίδραση τόσο στη σχετική ένταση όσο και στην οξύτητα των κύριων ανακλάσεων που διακρίνονται στο φάσμα και που ταυτοποιούν την παρουσία μαγνητίτη ή μαγκεμίτη. 7 Fe 3 O 4 6 γ-fe 2 O 3 Ένταση (αυθ.μον.) 5 13 nm nm 2 5 nm θ Σχήμα 18.Το συγκριτικό διάγραμμα XRD των δειγμάτων F5, F8 και F13. Το μέσο μέγεθος των κόκκων-κρυσταλλιτών που υπάρχουν σε κάθε δείγμα μπορεί να προσεγγιστεί από τις κύριες ανακλάσεις του φάσματος σύμφωνα με τη σχέση (16)και έτσι συμπληρώθηκε ο πίνακας 4, του οποίου τα αποτελέσματα θα συγκριθούν στη συνέχεια με τις μέσες τιμές μεγέθους όπως προέκυψαν από τις εικόνες μικροσκοπίας. Η αξιοπιστία της διαδικασίας υπολογισμού επηρεάζεται σημαντικά από τη θέση της κορυφής και από την οξύτητα σελ. 38 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

39 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ της που μπορεί να οδηγήσουν σε σφάλματα στον υπολογισμό των όρων b, θ στον παρανομαστή της σχέσης (16). Πίνακας 4:Μέγεθος νανοκρυστάλλων σύμφωνα με την εξίσωση του Scherrer από τις κύριες ανακλάσεις στο φάσμα περίθλασης ακτινών-χ και από τις εικόνες ΤΕΜ. Μέσο Μέγεθος νανοκρυσταλλιτών (nm) ΚορυφήXRD F4 F5 F8 F9 F13 F ,8 2,5 5,6 5,9 7,8 4,3 44 4, 4, 7,4 6,5 1,1 12, ,4 4, 6,6 9,2 9,3 3,8 ΤΕΜ 4,2 4,9 8,4 9, 12,3 16,2 H απεικόνιση με ηλεκτρονική μικροσκοπία παρέχει μια άμεση αποτύπωση της μορφολογίας των νανοσωματιδίων αλλά και των διατάξεων που σχηματίζουν. Οι εικόνες ΤΕΜ των δειγμάτων (Σχήμα 19) δείχνουν μια αξιοσημείωτη ομοιότητα όσον αφορά στο Σχήμα των νανοσωματιδίων, το οποίο είναι σφαιρικό και στις έξι περιπτώσεις αλλά και ομοιόμορφη διάταξη των σωματιδίων σε δύο διαστάσεις (υψηλός βαθμός μονοδιάσπαρτα). (α) (β) (γ) (δ) (ε) (στ) Σχήμα 19.ΕικόνεςΤΕΜτωνδειγμάτων: a) F4-4 nm, β) F5-5 nm, γ) F8-8 nm, δ) F9-9 nm, ε) F13-13 nm και στ) F18-18 nm. Όπως διακρίνεται σε κάθε περίπτωση, τα δείγματα αποτελούνται από νανοσωματίδια σφαιρικού Σχήματος που εμφανίζουν μεγάλο βαθμό ομοιογένειας και μονοδιασποράς. Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 39

40 Κεφάλαιο 2 ο : Μαγνητικά νανοσωματίδια Fe-Δομή και Ιδιότητες Από τις παραπάνω εικόνες ΤΕΜ είναι δυνατό να εξαχθεί το μέσο μέγεθος των νανοσωματιδίων για την κάθε περίπτωση ξεχωριστά. Από την κάθε εικόνα γίνεται μέτρηση της διαμέτρου των νανοσωματιδίων και με την απεικόνισή τους σε ένα διάγραμμα συχνοτήτων είναι δυνατό να υπολογιστεί το μέσο μέγεθός τους και το εύρος κατανομής του. Η κατανομή μεγέθους νανοσωματιδίων που παρήχθησαν με χημική σύνθεση περιγράφεται από μια συνάρτηση λογαριθμικής κατανομής (log-normal) της μορφής: y = y + exp ln (19) όπου w = (x x ) η τυπική απόκλιση της κατανομής, x c η μέση τιμή της διαμέτρου και Α το εμβαδόν κάτω από την καμπύλη. Οι τιμές αυτές φαίνονται συγκριτικά με τα μεγέθη των κρυσταλλιτών από τις ακτίνες-χ στον πίνακα 4 ενώ οι αντίστοιχες κατανομές φαίνονται στο Σχήμα 2 για τρεις ενδεικτικές περιπτώσεις (Fe5, Fe8, Fe13). 6 5nm 8nm 13nm P (%) Diameter (nm) Σχήμα 2.Κατανομές μεγέθους για τρεις χαρακτηριστικές περιπτώσεις (αριστερό Σχήμα: F5, F8, F13) και εικόνα περίθλασης ηλεκτρονίων (SAED-δεξί Σχήμa) από παρατήρηση με TEM όπου κατέστη δυνατός ο διαχωρισμός των φάσεων μαγνητίτη και μαγκεμίτη για το δείγμα F13. [Martinez-Boubeta et al., 26]. Ο διαχωρισμός των δύο φάσεων (μαγνητίτη και μαγκεμίτη) που συνυπάρχουν στα νανοσωματίδια μπορεί να επιτευχθεί σε ορισμένες περιπτώσεις, με την βοήθεια ειδικών απεικονίσεων (HRTEM Imaging: Selected Area Diffraction Pattern) όπως φαίνεται στο Σχήμα 2 για το δείγμα F13 όπου θα διαπιστωθούν ανακλάσεις μεγαλύτερης τάξης με σημαντική διαφορά μεταξύ τους. σελ. 4 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

41 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ 2.3. ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Η μαγνητική απόκριση των νανοσωματιδίων του πειράματος έγινε με την καταγραφή βρόχων υστέρησης σε μαγνητόμετρο VSM σε θερμοκρασία δωματίου (3 Κ). Επιλεκτικά, καταγράφηκαν και βρόχοι υστέρησης στους 1 Κ με μαγνητομετρία SQUID. Στο Σχήμα 21φαίνονται οι βρόχοι υστέρησης των δειγμάτων νανοσωματιδίων που μελετούνται και πληροφορίες όπως είναι η μαγνήτιση κόρου Μ S και το συνεκτικό πεδίο Η C εξάγονται απευθείας από τους βρόχους υστέρησης. Μαγνήτιση (Am 2 /kg) Μαγνήτιση (Am 2 /kg) Μαγνήτιση (Am 2 /kg) F4 5 nm 3 K -8-1, -,5,,5 1, Μαγνητικό πεδίο (T) K 3 K 1 K 3 K Μαγνητικό πεδίο (T) F8 8 nm -8-1, -,5,,5 1, Μαγνητικό πεδίο (T) F13 13 nm (α) (γ) (ε) Μαγνήτιση (Am 2 /kg) Μαγνήτιση (Am 2 /kg) Μαγνήτιση (Am 2 /kg) K 3 K F5 5 nm -8-1, -,5,,5 1, K 3 K Μαγνητικό πεδίο (T) -8-1, -,5,,5 1, Μαγνητικό πεδίο (T) F9 9 nm -8-1, -,5,,5 1, Μαγνητικό πεδίο (T) F18 18 nm (β) (δ) (στ) Σχήμα 21. Βρόχοι υστέρησης των δειγμάτων a) F4, β) F5, γ) F8, δ) F9, ε) F13 και στ) F18. Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 41

42 Κεφάλαιο 2 ο : Μαγνητικά νανοσωματίδια Fe-Δομή και Ιδιότητες Σε θερμοκρασία δωματίου τα δείγματα χαρακτηρίζονται από υπερπαραμαγνητική συμπεριφορά, όπως αναμένεται σε νανοσωματίδια μικρού μεγέθους και σχεδόν μηδενικό συνεκτικό πεδίο. Μόνο στα νανοσωματίδια μεγάλου μεγέθους εμφανίζεται υστέρηση σε θερμοκρασία δωματίου (Σχήμα 21στ). Η στενότητα του βρόχου, που παρατηρείται σε μικρά μαγνητικά πεδία μπορεί να αποδοθεί στην κατανομή διασποράς των μεγεθών (νανοσωματίδια μικρότερου μεγέθους θα έχουν μικρότερο συνεκτικό πεδίο). Αντίθετα στις χαμηλές θερμοκρασίες τα δείγματα χαρακτηρίζονται από κλασσική σιδηριμαγνητική συμπεριφορά (με σημαντική αύξηση του συνεκτικού πεδίου και της μαγνήτισης κόρου). Στο Σχήμα 22 φαίνονται οι καμπύλες ZFC-FC (Zero-field-cooled field cooled) σε ένα εφαρμοζόμενο πεδίο 1 Oe για τα δείγματα F5, F8 και F3, ώστε να είναι δυνατή μια σύγκριση των δειγμάτων σε σχέση και με το μέγεθός τους. Και οι δύο τύποι καμπύλης μετρήθηκαν με αύξηση της θερμοκρασίας από τους 1 Κ ως τους 3 Κ. Το μέγιστο της καμπύληςzfcαντιστοιχεί στη θερμοκρασία μετάβασης (blocking temperature) από την υπερπαραμαγνητική στην σιδηριμαγνητική κατάσταση. Όπως αναμένεται όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος των νανοσωματιδίων τόσο υψηλότερη είναι αυτή η θερμοκρασία και προσεγγίζει τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, κατά συνέπεια τα νανοσωματίδια εμφανίζουν σιδηριμαγνητική συμπεριφορά σε μεγαλύτερο θερμοκρασιακό εύρος και σε συνθήκες λειτουργίας συσκευών. 1, FC M (a.u.),5 ZFC 13 nm 8 nm 5 nm, T(K) Σχήμα 22. Καμπύλες μαγνήτισης θερμοκρασίας των δειγμάτων F5, F8, F13, μετρημένες σε πεδίο των 1 Oe. Οι χαμηλότερες καμπύλες είναι των δειγμάτων που ψύχθηκαν στους 1 Κ σε μηδενικό μαγνητικό πεδίο (ZFC, αναπαριστώμενες με τα κοίλα σύμβολα), ενώ οι καμπύλες FC αναπαριστώνται με πλήρη σύμβολα. Τα βέλη δείχνουν τη θερμοκρασία μπλοκαρίσματος Τ Β για κάθε δείγμα. Η κάθετη γραμμή κοντά στους 65 Κ υπολογίζει τη θερμοκρασία υαλοποίησης Τ s (στην οποία η μαγνήτιση αποκλίνει από την εξάρτηση Τ 2 της θερμοκρασίας) [Martinez-Boubeta et al., 26]. σελ. 42 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

43 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Από αυτές τις θερμοκρασίες, και υποθέτοντας ότι το σχήμα των νανοσωματιδίων είναι σφαιρικό με έναν μέσο όγκο <V>, αποτέλεσμα της TEMεπεξεργασίας, είναι δυνατός ο υπολογισμός της σταθεράς ανισοτροπίαςk 3k T /< V >, όπου k B είναι η σταθερά Boltzmann. Η υπολογιζόμενη τιμή της σταθεράς ανισοτροπίας (πίνακας 5) είναι συγκρίσιμη με την πρώτης τάξης σταθερά ανισοτροπίας του γ-fe 2 O 3 (και του Fe 3 O 4 ), η οποία αναφέρεται συνήθως στις μελέτες των νανοσωματιδίων, ακολουθώντας μια τυπική αύξηση καθώς το μέγεθος των νανοσωματιδίων μειώνεται. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι, αντίθετα με άλλους νανοκρυστάλλους, στην παρούσα περίπτωση νανοσωματιδίων η σταθερά μαγνητικής ανισοτροπίας δεν αυξάνεται σημαντικά με τη μείωση του μεγέθους. Πίνακας 5:Τύποι των δειγμάτων F5, F8και F13 και μαγνητικά χαρακτηριστικά τους nm, 3 K M/M s nm 8 nm, 15 K 5 nm H (1 4 Oe) Σχήμα 23.Ισόθερμες μαγνήτισης των νανοσωματιδίων με διάμετρο 8 nm, στους 15 Κ (πορτοκαλί γεμάτα τετράγωνα) και στους 3 Κ (μπλε τετράγωνα). Οι καμπύλες μαγνήτισης των δειγμάτων νανοσωματιδίων με διάμετρο 13 nm (πράσινοι κύκλοι)και 5 nm (κόκκινα τρίγωνα) στους 3 Κ παρατίθενται για σύγκριση. Οι συνεχείς γραμμές είναι τα fittingστην έκφραση του Langevin για ένα υπερπαραμαγνητικό σωματίδιο [Martinez-Boubeta et al., 26]. Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 43

44 Κεφάλαιο 2 ο : Μαγνητικά νανοσωματίδια Fe-Δομή και Ιδιότητες Για ένα σύστημα μονοδιάσπαρτων μη αλληλεπιδρώμενων σωματιδίων, είναι δυνατό να γίνει fittingτων ισοθερμικών καμπυλών μαγνήτισης στη συνάρτηση Langevin M M = coth(μh k T) (k T μh),όπου το μ είναι η εγγενής μαγνητική ροπή κάθε σωματιδίου και Τ είναι η θερμοκρασία. Οι υπολογιζόμενες καμπύλες (Σχήμα 23) είναι σε πολύ καλή συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα και η κύρια μαγνητική ροπή ανά σωματίδιο των 8 nmέχει βρεθεί ότι είναι μ 7785μ Β στους 3 Κ, και μ 8414μ Β στους 15 Κ. Στο Σχήμα 24φαίνεται η συσχέτιση της μαγνήτισης κόρου και του συνεκτικού πεδίου των νανοσωματιδίων με το μέγεθος, στις θερμοκρασίες των 1Κ και 3Κ αντιστοίχως. 1 α T = 1K 1 α T = 3K M S (emu/g) 5 M S (emu/g) 5 6 β 6 β H C (Oe) 4 2 H C (Oe) Μέγεθος (nm) Μέγεθος (nm) Σχήμα 24.Συσχέτιση μεγέθους μεa) τη μαγνήτιση κόρου και b) το συνεκτικό πεδίο σε θερμοκρασία 1Κ, 3Κ Από το παραπάνω διάγραμμα φαίνεται μια σχεδόν γραμμική εξάρτηση των μεγεθών. Με την αύξηση του μεγέθους, παρατηρείται μια αύξηση της μαγνήτισης, αλλά και του συνεκτικού πεδίου. Στην περίπτωση του συνεκτικού πεδίου η γραμμικότητα είναι πιο διακριτή από ότι στην περίπτωση της μαγνήτισης κόρου, όπως φαίνεται από το παραπάνω συγκριτικό Σχήμα. Αντίθετα, σε θερμοκρασία δωματίου (3Κ), δε διαφαίνεται μια ιδιαίτερη σχέση μεταξύ του μεγέθους και της μαγνήτισης κόρου ή του συνεκτικού πεδίου κυρίως της σημαντικά ασθενέστερης μαγνητικής συμπεριφοράς (σιδηριμαγνητισμός υπερπαραμαγνητισμός). σελ. 44 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»

45 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ 2.4 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Οι εξελιγμένες χημικές μέθοδοι παρασκευής έχουν δώσει τη δυνατότητα στην επιστήμη της φυσικής να λαμβάνει κατά το δοκούν και με ακρίβεια, τα όργανα εκείνα που χρειάζεται για να πραγματοποιηθούν τα εκάστοτε πειράματα. Κατά αυτό τον τρόπο, είναι δυνατή η παρασκευή νανοσωματιδίων, για συγκεκριμένες εφαρμογές και για κάθε εφαρμογή ξεχωριστά. Κάθε εφαρμογή χρειάζεται συγκεκριμένου τύπου νανοσωματίδια, με συγκεκριμένες ιδιότητες, διαφορετικές από τις ιδιότητες νανοσωματιδίων για άλλη εφαρμογή. Είναι πολύ εύκολο πλέον, να παρασκευασθούν νανοσωματίδια, με εκείνα τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά, που θα τα κάνουν χρήσιμα για οποιαδήποτε εφαρμογή. Ακόμη και νανοσωματίδια ίδιου υλικού, μπορούν να έχουν διαφορετικές ιδιότητες και να χρησιμοποιηθούν για διαφορετικό σκοπό, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους. Αυτό μπορεί να συμβεί, με αλλαγή του Σχήματος, του μεγέθους ή ακόμα και της μεθόδου παραγωγής. Τα επιφανειοδραστικά είναι αυτά που μεταλλάσουν τα νανοσωματίδια και κατ επέκταση τις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά τους. Σχήμα 25. Σύγκριση μεγεθών σε κλίμακα διαστάσεων Πιο συγκεκριμένα, τα μαγνητικά νανοσωματίδια, λόγω της μαγνητικής απόκρισής τους, μπορούν να παραμετροποιηθούν, με τέτοιο τρόπο (π.χ. με αλλαγή του Σχήματος ή του μεγέθους τους) ώστε να προκύψουν τα επιθυμητά μαγνητικά χαρακτηριστικά, τα οποία τα κάνουν κατάλληλα για εφαρμογή. Υπάρχει πληθώρα εφαρμογών για μαγνητικά νανοσωματίδια, όμως στο παρόν κεφάλαιο γίνεται ειδική αναφορά στις βιοϊατρικές εφαρμογές. Μπακογλίδης Κωνσταντίνος σελ. 45

46 Κεφάλαιο 2 ο : Μαγνητικά νανοσωματίδια Fe-Δομή και Ιδιότητες Τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά των μαγνητικών νανοσωματιδίων είναι τέτοια, που προσφέρουν μερικές πολύ ελκυστικές δυνατότητες όσον αφορά στις βιοϊατρικές εφαρμογές. Όπως έχει προαναφερθεί, έχουν ελεγχόμενα μεγέθη, τα οποία ξεκινούν από μερικά νανόμετρα και καταλήγουν σε μερικά δέκατα του νανόμετρου, κάτι το οποίο τα κάνει συγκρίσιμα σε μέγεθος -σε πολλές περιπτώσεις είναι και μικρότερου μεγέθους- με ένα μόριο, έναν ιό, μια πρωτεΐνη ή ένα γονίδιο. Αυτό σημαίνει ότι έχουν τη δυνατότητα να πλησιάσουν κοντά σε μια βιολογική οντότητα που ενδιαφέρει. Πράγματι, με κατάλληλες βιολογικές επικαλύψεις μπορούν να αλληλεπιδράσουν με μια βιολογική οντότητα ή να συνδεθούν με αυτή. Επίσης, η μαγνητικές ιδιότητες των νανοσωματιδίων δίνουν την ευχέρεια να χειριστούν από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Με αυτό τον τρόπο και με δεδομένη την διαπερατότητα των μαγνητικών πεδίων από τους ανθρώπινους ιστούς, ανοίγεται ο δρόμος για μεταφορά των νανοσωματιδίων ενδοσωματικά. Επίσης, τα μαγνητικά νανοσωματίδια έχουν τη δυνατότητα να ανταποκρίνονται και σε χρονικά μεταβαλλόμενα μαγνητικά πεδία, με αποτέλεσμα τη μεταφορά και εξωτερίκευση ενέργειας. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τα μαγνητικά νανοσωματίδια κατάλληλα για βιοϊατρικές εφαρμογές. Σχήμα 25.Βιοϊατρικές εφαρμογές μαγνητικών νανοσωματιδίων (Διαχωρισμός Διάγνωση Θεραπεία) Έτσι, τα μαγνητικά νανοσωματίδια περιέχουν μοναδικές μαγνητικές ιδιότητες και λόγω του μεγέθους τους μπορούν να επιδράσουν σε μοριακό επίπεδο στο κύτταρο. Οι βιοϊατρικές εφαρμογές μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με διάφορες παραμέτρους, όπως το αν εφαρμόζονται in vivo (μέσα στο σώμα) ή in vitro (έξω από το σώμα). Όσον αφορά στις in vivo εφαρμογές, αυτές διαχωρίζονται περαιτέρω σε θεραπευτικές, όπως η υπερθερμία, ή η μεταφορά φαρμάκων, η αιμοδιάλυση και η τεχνολογία ιστών (tissue engineering) και σε διαγνωστικές σελ. 46 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών»