Πατσιά Όλγα Δ Ι Π Λ Ω Μ Α Τ Ι Κ Η Ε Ρ Γ Α Σ Ι Α

Transcript

1 Π Ρ Ο Γ Ρ Α Μ Μ Α Μ Ε Τ Α Π Τ Υ Χ Ι Α Κ Ω Ν Σ Π Ο Υ Δ Ω Ν " Φ υ σ ι κ ή ς & Τ ε χ ν ο λ ο γ ί α ς Υ λ ι κ ώ ν " T Μ Η Μ Α Φ Υ Σ Ι Κ Η Σ - Α Ρ Ι Σ Τ Ο Τ Ε Λ Ε Ι Ο Π Α Ν Ε Π Ι Σ Τ Η Μ Ι Ο Θ Ε Σ Σ Α Λ Ο Ν Ι Κ Η Σ Β Ε Λ Τ Ι Σ Τ Ο Π Ο Ι Η Σ Η Α Π Ο Δ Ο Σ Η Σ Μ Α Γ Ν Η Τ Ι Κ Η Σ Υ Π Ε Ρ Θ Ε Ρ Μ Ι ΑΣ Μ Ε Σ Ω Π Α Ρ Α Μ Ε Τ Ρ Ω Ν Σ Υ Ν Θ Ε Σ Η Σ Μ Α Γ Ν Η Τ Ι Κ Ω Ν Ν Α Ν Ο Σ Ω Μ Α Τ Ι Δ Ι Ω Ν Πατσιά Όλγα Δ Ι Π Λ Ω Μ Α Τ Ι Κ Η Ε Ρ Γ Α Σ Ι Α Θ Ε Σ Σ Α Λ Ο Ν Ι Κ Η Μ Α Ρ Τ Ι Ο Σ 2 1 5

2 Β ΕΛΤ ΙΣ ΤΟΠ ΟΙ ΗΣ Η ΑΠΟΔΟ ΣΗ Σ ΜΑΓΝΗΤ ΙΚ Η Σ ΥΠΕΡΘ ΕΡ Μ ΙΑΣ ΜΕ ΣΩ ΠΑΡ ΑΜΕΤ ΡΩΝ ΣΥ ΝΘΕΣΗ Σ ΜΑ ΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝ ΟΣΩ ΜΑ ΤΙΔΙΩ Ν OPTIMIZ AT ION OF MA G NET IC HYP ERTHERMIA V IA SYNT HESIS PARAMET ERS OF MA GN ET IC N ANOP ARTICLES Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α Ε Ρ Γ Α Σ Ι Α Σ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 3 ABSTRACT... 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ- ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ: ΕΙΔΗ, ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ, ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΗΜΑΣΙΑ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΤΟΧΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ-ΔΕΙΓΜΑΤΑ ΠΟΥ ΜΕΛΕΤΗΘΗΚΑΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΣΥΝΘΕΣΗ - ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΟΛΛΟΕΙΔΟΥΣ ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑΣ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΟΜΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΜΕΣΩ ΦΥΣΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΜΙΑ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΣΥΣΧΕΤΙΣΕΙΣ- ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ-ΑΝΑΦΟΡΕΣ Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 1

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να εκφράσω τις ιδιαίτερες ευχαριστίες μου σε όλους όσους συνεισέφεραν με την πολύτιμη βοήθειά τους στην ολοκλήρωση της διπλωματικής μου εργασίας. Πρώτα από όλα θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον αναπληρωτή καθηγητή κ. Μαυροειδή Αγγελακέρη για την ανάθεση της διπλωματικής αυτής εργασίας και την άψογη συνεργασία, τη σημαντική καθοδήγηση και κατανόησή του για όλα τα ζητήματα που προέκυψαν καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησής της. Τον Μεταδιδακτορικό Ερευνητή του τμήματος Φυσικής κ. Κωνσταντίνο Συμεωνίδη για την απρόσκοπτη συνεργασία του και την ουσιαστική βοήθειά του στη σύνθεση των μαγνητικών νανοσωματιδίων που πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Αναλυτικής Χημείας του τμήματος Χημικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Οφείλω εδώ να ευχαριστήσω τον κ. Μανασσή Μήτρακα και τους συνεργάτες του για τον χώρο που μου παραχώρησαν για τη διεξαγωγή όλων των πειραμάτων σύνθεσης. Τους Μεταδιδακτορικούς ερευνητές κ.δέσποινα Σακελλάρη και κ. Γιάννη Τσιαούση για τις εικόνες ΤΕΜ που έλαβαν τόσο στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας του Τμήματος Φυσικής αλλά και στο Πανεπιστήμιο Duisburg-Essen. Το Πανεπιστήμιο Duisburg-Essen και πιο συγκεκριμένα τον κ. Μichael Farle για τη δυνατότητα που μας έδωσε να πραγματοποιηθούν μαγνητικές και δομικές μετρήσεις των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Θα ήθελα να επισημάνω τη συμβολή των κ. Αγγελακέρη, κ. Συμεωνίδη και κ. Σακελλάρη στην επίλυση των αποριών μου καθώς επίσης και στη βελτίωση του κειμένου της διπλωματικής αυτής εργασίας με τις υποδείξεις και τις παρατηρήσεις τους. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου για την ηθική υποστήριξη που μoυ προσέφερε αλλά και την υπομονή που επέδειξε κατά τη διενέργεια της εργασίας μου. 2 Διπλωματική Εργασία

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη χρήση των μαγνητικών νανοσωματιδίων στη μαγνητική υπερθερμία που είναι μια ενδιαφέρουσα και εναλλακτική μέθοδος θεραπείας του καρκίνου. Μέσω αυτής της μεθόδου τα μαγνητικά νανοσωματίδια εκτίθενται σε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο παράγοντας με αυτό τον τρόπο θερμότητα ικανή να οδηγήσει στην καταπόνηση των καρκινικών κυττάρων του ανθρωπίνου σώματος σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 41 ο C. Τα νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου είναι τα πιο ευρέως υπό μελέτη υλικά για μαγνητική υπερθερμία. Μέχρι σήμερα, καταβάλλονται προσπάθειες για να βελτιωθεί η θερμική απόδοση των νανοσωματιδίων συνθετικού μαγνητίτη (Fe 3O 4) οι οποίες βασίζονται στη βελτίωση των συνθηκών παρασκευής ορυκτού μαγνητίτη στα μαγνητοτακτικά βακτήρια. Ο αργός ρυθμός σχηματισμού κρυσταλλιτών μέσω ενδιάμεσων συμπλόκων όπως επίσης και οι αποκτώμενες διαστάσεις τους που κυμαίνονται στα όρια της μονοπεριοχής (3-4 nm) είναι οι κύριοι λόγοι για την ανώτερη θερμική τους απόδοση. Άλλη κρυσταλλική φάση η οποία περιγράφεται ως ισοδύναμη του μαγνητίτη, είναι ο γκρεϊγκίτης (Fe 3S 4) με δομή σπινελίου που μπορεί επίσης να βρεθεί ως προϊόν πολλών μαγνητοτακτικών βακτηρίων, με τη μορφή των αλυσίδων νανοσωματιδίων. Παρόλο που τα νανοσωματίδια γκρεϊγκίτη εμφανίζουν ασθενέστερες μαγνητικές ιδιότητες σε σύγκριση με του μαγνητίτη, υπάρχουν ορισμένα σημαντικά πλεονεκτήματα για την αξιολόγησή τους σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Αυτά είναι η σχετική ευκολία χειρισμού της επιφάνειας τους, η χαμηλή τοξικότητα και η ελάχιστη επίδραση σε φυσιολογικά κύτταρα κατά τη διάρκεια της μαγνητικής υπερθερμίας. Πιο συγκεκριμένα η εργασία αυτή μελετά τη σύνθεση νανοσωματιδίων μαγνητίτη και γκρεϊγκίτη με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης χρησιμοποιώντας διάφορες επιφανειοδραστικές ουσίες (κιτρικό οξύ, CTAB, δεξτράνη) σε μια προσπάθεια βελτιστοποίησης της κολλοειδούς σταθερότητας, των ιδιοτήτων τους και της απόδοσης της θερμότητάς τους υπό υψηλή συχνότητα ΑC μαγνητικού πεδίου. Αφού ολοκληρώθηκε η σύνθεση των νανοσωματιδίων πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ακτίνων-χ και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διερχόμενης δέσμης-τεμ για την ταυτοποίηση της κρυσταλλικής τους δομής και την εύρεση του σχήματος, της μέσης κατανομής του μεγέθους τους αλλά και της διασποράς των μεγεθών τους. Στη συνέχεια καταγράφηκαν τα μαγνητικά χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων από τους βρόχους υστέρησης μέσω της διάταξης μαγνητόμετρου δονούμενου δείγματος-vsm. Όσον αφορά την αξιολόγηση της θερμικής του απόκρισης, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις μαγνητικής υπερθερμίας κολλοειδών διαλυμάτων σε διάφορες συγκεντρώσεις (1, 2, 4, 6, 8 mg/ml) και σε διαφορετικά πεδία (2, 25, 3 mτ) με χρήση γεννήτριας AC ηλεκτρικού ρεύματος σταθερής συχνότητας (765 khz). Η θερμική απόδοση των νανοσωματιδίων προσδιορίζεται από τον ρυθμό ειδικών απωλειών ενέργειας (SLP). Τα αποτελέσματα τόσο των δειγμάτων μαγνητίτη όσο και των δειγμάτων γκρεϊγκίτη θα συγκριθούν μεταξύ τους με στόχο την εύρεση των καλύτερων δειγμάτων για την απόπτωση των καρκινικών όγκων μέσω της μαγνητικής υπερθερμίας. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 3

5 ABSTRACT This thesis discusses the use of magnetic nanoparticles (MNPs) in magnetic hyperthermia which is an interesting and alternative treatment of cancer. This cancer therapy involves the targeted administration of MNPs into the human body, accumulation of those MNPs at sites of cancer, and the local heating of those MNPs with an externally applied AC magnetic field. This heating can lead to cellular degradation and ultimately inducing apoptosis with cancer cell death in temperatures above 41 ο C. Iron oxide nanoparticles are the most widely studied materials for magnetic hyperthermia. Up to date, attempts to improve the heating efficiency of synthetic Fe 3O 4 nanoparticles deals with the replication of preparation conditions of magnetite biomineralization into magnetotactic bacteria. The slow rate of crystal formation through intermediate complexes and the obtained dimensions within the magnetic monodomain size range (3-4 nm) are the main reasons for their superior heating efficiency. Another crystal phase which is described as the sulfur equivalent of magnetite, the thiospinel greigite (Fe 3S 4), can also be found as the product of many magnetotactic bacteria in the form of nanoparticle chains. In spite of the subordinate magnetic properties of greigite nanoparticles compared to magnetite, there are some important advantages for their evaluation in biomedical applications. These are the relative ease of surface functionalization, low toxicity and minimum effect to normal cells during magnetic hyperthermia. Specifically the objective of this work constitutes the study of the synthesis of magnetite and greigite MNPs by co-precipitation using various surfactants (citric acid, CTAB, dextran) in an attempt to optimize the colloidal stability, the properties and heating efficiency under high frequency of magnetic field AC. Once the synthesis of nanoparticles had been completed, measurements of X-Ray Diffraction (XRD) and Transmission electron Microscopy (TEM) were made for identification of the crystal structure and location of the shape and the average distribution and dispersion of their size. Then magnetic characteristics of nanoparticles through hysteresis loops were received from Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Finally, as for their thermal response, measurements of magnetic hyperthermia were made in different concentrations (1, 2, 4, 6, 8 mg / ml) and fields (. 2,. 25,. 3T) under fixed frequency (765KHz).The heating efficiency of MNPs is expressed by SLP (Specific Loss Power). Results both of magnetite and greigite samples will be compared each other aiming the evaluation of most suitable nanoparticles for hyperthermia applications. 4 Διπλωματική Εργασία

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 1.1. ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ- ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ 1.2. ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ: ΕΙΔΗ, ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ, ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ 1.3. ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ 1.4 ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ 1.5. ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ 1.6. ΣΤΟΧΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ-ΔΕΙΓΜΑΤΑ ΠΟΥ ΜΕΛΕΤΗΘΗΚΑΝ Στο κεφάλαιο αυτό αρχικά θα περιγραφούν τα είδη των μαγνητικών νανοσωματιδίων, οι ιδιότητες τους και τα διάφορα φαινόμενα στα οποία υπακούουν. Στη συνέχεια θα αναφερθούν οι διάφορες μέθοδοι σύνθεσης των νανοσωματιδίων, η σημασία της επικάλυψης που συμβάλλει στην πολυλειτουργικότητα των νανοσωματιδίων όπως επίσης και μερικές από τις εφαρμογές τους κυρίως στον τομέα της βιοϊατρικής. Τέλος θα παρουσιαστεί ο στόχος της παρούσας εργασίας και τα δείγματα που μελετήθηκαν. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 5

7 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 1.1 Νανοτεχνολογία-Νανοδομημένα υλικά Μια ομιλία του 1959 με τίτλο There s plenty of room at the bottom από τον φημισμένο φυσικό Richard Feynman σε αμερικάνικο Συνέδριο Φυσικής στο ινστιτούτο τεχνολογίας στην Καλιφόρνια, στάθηκε αφορμή για την ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας. Στην παρουσίασή του, ο Feynman προκάλεσε το ακροατήριo του να εξετάσει «το χειρισμό και τον έλεγχο των πραγμάτων σε μικρή κλίμακα». Πριν από αυτό το σημείο στην ιστορία, είχε γίνει ελάχιστη συζήτηση σχετικά με την εφαρμογή των υλικών στην κλίμακα του «νανο» (ή και σε πιο μικρές κλίμακες). Πιο συγκεκριμένα τα νανοσωματίδια ενώ έχουν χρησιμοποιηθεί για χιλιάδες χρόνια, μόλις πρόσφατα ο άνθρωπος έχει αποκτήσει μια πολύπλευρη κατανόηση αυτών των υλικών και των μοναδικών ιδιοτήτων τους. Γενικά ενώ η νανοεπιστήμη βασίζεται στη μελέτη και κατανόηση της φύσης σε πολύ μικρή κλίμακα, νανοτεχνολογία σημαίνει η άμεση εφαρμογή της νανοεπιστήμης στην ανάπτυξη νέων προϊόντων, συσκευών όχι μόνο σε επίπεδο έρευνας και υψηλής τεχνολογίας αλλά και καθημερινής ζωής. Η νανοτεχνολογία είναι ένας από τους πιο κορυφαίους τομείς της έρευνας και ανάπτυξης στoν αιώνα που διανύουμε. Θα περιλαμβάνει κλάδους όπως η μηχανική, φυσική, χημεία, βιολογία και ιατρική και η επίδραση της θα πρέπει να διασφαλίζεται σε όλους σχεδόν τους κοινωνικούς και οικονομικούς τομείς. 1 Σχήμα 1.1: Εφαρμογές της νανοτεχνολογίας Η νανοτεχνολογία εξ ορισμού ασχολείται με την κατασκευή διατάξεων σε ατομικό ή μοριακό επίπεδο με διαστάσεις που βρίσκονται στη νανοκλίμακα δηλαδή μικρότερες των 1 nm. Η νανοκλίμακα ουσιαστικά αποτελεί το μεταβατικό όριο και την περιοχή συνύπαρξης ανάμεσα 6 Διπλωματική Εργασία

8 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ στην κλασική και την κβαντική φυσική και η κατανόηση των ιδιοτήτων σε αυτή την κλίμακα δίνει πολλές υποσχέσεις και δυνατότητες.2 Αυτή η προαγωγή της γνώσης διευκολύνει την παραγωγή νανοδομημένων υλικών που ποικίλλουν σε μέγεθος, σχήμα και σύσταση. Τα νανοδομημένα υλικά χωρίζονται σε τρείς κατηγορίες τα πολυστρωματικά υμένια (1D), διατεταγμένες νανοδομές (2D) και τα νανοσωματίδια (3D).2 (γ) (β) (α) Σχήμα 1.2: Νανοδομημένα υλικά (α) πολυστρωματικά υμένια (μία διάσταση στη νανοκλίμακα) (β)διατεταγμένες νανοδομές (δύο διαστάσεις στη νανοκλίμακα) και (γ) νανοσωματίδια (τρείς διαστάσεις στη νανοκλίμακα) Από όλες τις παραπάνω κατηγορίες, τα νανοσωματίδια αποτελούν ένα από τα πιο σημαντικά νανοϋλικά στις επιστήμες υγείας και γενικότερα στη ζωή. Όταν το μέγεθος των σωματιδίων μειώνεται και φτάνει στα όρια της νανοκλίμακας (1-1 nm), τα σωματίδια παρουσιάζουν ένα αξιοσημείωτο μοναδικό μέγεθος το οποίο εξαρτάται από φυσικές, χημικές και βιολογικές ιδιότητες. Από την πρακτική πλευρά των νανοσωματιδίων που χρησιμοποιούνται στην ιατρική, οι μαγνητικές τους ιδιότητες είναι αξιοποιήσιμες για διάγνωση και θεραπεία του καρκίνου. H έρευνα που διεξάγεται, περιλαμβάνει τον σχεδιασμό, τη σύνθεση και τον χαρακτηρισμό μιας ευρείας ποικιλίας από μη συμβατικά μαγνητικά νανοσωματιδία και νανοδομές πυρήνα-κελύφους (core-shell). Ανάλογα με το μέγεθος των σωματιδίων, τη σύνθεση, τη δομή και τις φυσικοχημικές ιδιότητες, τα μαγνητικά νανοσωματίδια έχουν επιδείξει ένα ευρύ φάσμα χρήσιμων εφαρμογών όπως κατάλυση, μαγνητική τομογραφία, υπερθερμία, διαχωρισμός, διανομή φαρμάκου.3 Με βάση την πρόοδο που έχει παρουσιαστεί, και τη στενή συνεργασία μεταξύ, πολλών και διαφόρων επιστημών, όπως η χημεία, η βιολογία, η φαρμακευτική, η νανοτεχνολογία, η ιατρική Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 7

9 και η απεικόνιση, έχουν σχεδιαστεί και αξιολογηθεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών όλο και περισσότερα νανοδομημένα υλικά στην ιατρική τέτοια ώστε να συνδυάζουν διαγνωστικές και θεραπευτικές μεθόδους. Αυτά τα νανοδομημένα υλικά είναι γνωστά ως theranostic και μπορούν να αναπτύξουν μοναδικές σχεδιασμένες θεραπείες ενάντια σε διάφορες ασθένειες για την ολοκλήρωση εξατομικευμένης ιατρικής. 4 Η ανάγκη για εξατομικευμένη ιατρική προέκυψε από το γεγονός ότι πολλές ασθένειες όπως ο καρκίνος, είναι αρχικά ετερογενείς, και έτσι οι κλινικές θεραπείες θα πρέπει να αντανακλούν τα χαρακτηριστικά και τα στάδια εξέλιξης της νόσου των ασθενών. Μεγάλος αριθμός σημερινών ερευνητών ελπίζουν και προσδοκούν ότι ένας συνδυασμός της διάγνωσης και της θεραπείας μπορεί να παράγει ορθολογικά οργανωμένες κλινικές θεραπείες που είναι οι καταλληλότερες για κάθε ασθενή. Στη διάγνωση και θεραπεία, μία από τις πιο βασικές απαιτήσεις είναι η αποδοτική χορήγηση παραγόντων απεικόνισης και φαρμάκων στον συγκεκριμένο στόχο. Για παράδειγμα στην περίπτωση της χορήγησης φαρμάκου, πολλές θεραπείες δεν παρέχουν ευνοϊκά κλινικά αποτελέσματα, εάν η συγκέντρωση του φαρμάκου στην περιοχή του στόχου της νόσου δεν είναι επαρκής για να δημιουργήσει θεραπευτική αποτελεσματικότητα. Επιπλέον σε πολλές περιπτώσεις, μια μεγάλη ποσότητα του φαρμάκου χορηγείται σε φυσιολογικούς ιστούς, το οποίο θα μπορούσε να έχει σοβαρές παρενέργειες στους ασθενείς. Σχήμα 1.3: Αναπαράσταση ενός πολυλειτουργικού νανοσωματιδίου. Ως εκ τούτου, μια ουσιαστική προσέγγιση για να ξεπεραστεί αυτό το κρίσιμο εμπόδιο είναι η ανάπτυξη βελτιστοποιημένων και στοχοθετημένων συστημάτων παροχής για παράγοντες απεικόνισης ή φάρμακων. Για το σκοπό αυτό, μια ποικιλία νανοσωματιδίων έχουν αναπτυχθεί χρησιμοποιώντας διάφορα οργανικά ή ανόργανα υλικά για την απεικόνιση και την παράδοση του φαρμάκου (Σχήμα 1.3). 5 8 Διπλωματική Εργασία

10 1.2 Μαγνητικά νανοσωματίδια:είδη, Ιδιότητες, Φαινόμενα Τα νανοσωματίδια ταξινομούνται σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με τα υλικό τους και κατ επέκταση με τις ιδιότητες και τις εφαρμογές τους. Τα νανοσωματίδια που έχουν μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον είναι τα μεταλλικά, τα ημιαγώγιμα και τα νανοσωματίδια ευγενών μετάλλων. Τα πιο διαδεδομένα από αυτά τα νανοσωματίδια είναι τα μεταλλικά τα οποία χρησιμοποιούνται και στη βιοϊατρική. Συγκεκριμένα αυτά που χρησιμοποιούνται στη βιοϊατρική είναι κυρίως τα οξείδια του σιδήρου (Fe3O4 και γ-fe2o3), o μεταλλικός σίδηρος (Fe) και διάφορα κράματα σιδήρου όπως διμεταλλικό κράμα σιδήρου-κοβαλτίου (FeCo) και σιδήρου-λευκόχρυσου (FePt). Τα οξείδια του σιδήρου είναι εγκεκριμένα από την επιτροπή χορήγησης φαρμάκων και τροφίμων (FDA-approved) μεταξύ των οποίων προτιμάται ο μαγνητίτης (Fe3O4) που είναι βιοσυμβατός και παρουσιάζει υψηλότερη μαγνήτιση. Ο μεταλλικός σίδηρος και τα κράματα του χαρακτηρίζονται από ακόμη υψηλότερες τιμές μαγνήτισης ή/και βελτιωμένες μαγνητικές ιδιότητες αλλά τέτοια υλικά είναι ευαίσθητα στην οξείδωση και διαλυτοποιούνται με δυσκολία σε υδατικά ή οργανικά μέσα. Η τοξικότητα των υλικών αυτών αποτελεί έναν βασικό παράγοντα που αντιμετωπίζεται κάποιες φορές επικαλύπτοντας την επιφάνεια των σωματιδίων με οργανικό ή ανόργανο στρώμα. Γενικά τα νανοσωματίδια που χρησιμοποιούνται σε όλες τις βιολογικές εφαρμογές θα πρέπει να είναι βιοσυμβατά, μη τοξικά και σταθερά σε φυσιολογικό ph. Τα παραπάνω νανοσωματίδια για να εφαρμοστούν στη βιοϊατρική θα πρέπει να σχηματίζουν σταθερά υδατικά κολλοειδή διαλύματα γνωστά στη βιβλιογραφία ως «σιδηρορευστά» ή «ferrofluids». Απαραίτητη προϋπόθεση για την εφαρμογή των σιδηρορευστών είναι η κολλοειδής σταθερότητα και συνήθως επιτυγχάνεται όταν τα νανοσωματίδια είναι υπερπαραμαγνητικά (SPIONs). 6 Όσον αφορά τη μαγνήτιση είναι μια ιδιότητα της απόκρισης ενός υλικού σε ένα μαγνητικό πεδίο. Υπάρχουν στοιχεία που είναι ισχυρά μαγνητικά (π. χ., Fe, Ni, Co), ενώ άλλα τα οποία είναι ασθενώς μαγνητικά (π.χ., Mg, Li, Mo). Υλικά όγκου οξειδίου του σιδήρου περιέχουν πολλές περιοχές και εκφράζουν έντονη σιδηρομαγνητική συμπεριφορά. Είναι ενδιαφέρον ότι όταν το μέγεθος τους μειώνεται (<2 nm) αυτά τείνουν να περιέχουν μόνο μια περιοχή. Σε μια τέτοια κατάσταση, εμφανίζουν σιδηρομαγνητικές ή παραμαγνητικές ιδιότητες, οι οποίες εξαρτώνται από την παρουσία ή απουσία των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως «υπερπαραμαγνητισμός», μια ιδιότητα που μπορεί να παρατηρηθεί σε νανοσωματίδια από σιδηρομαγνητικό ή σιδηριμαγνητικό υλικό κάτω από ένα ορισμένο κρίσιμο μέγεθος (περίπου 2nm). Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 9

11 Σχήμα 1.4: Eξάρτηση συνεκτικού πεδίου από τη διάμετρο σωματιδίων, ενδεικτική των μεταβολών της μαγνήτισης στη νανοκλίμακα. Δηλαδή υπάρχουν δύο πολύ σημαντικά φαινόμενα των νανοσωματιδίων που οφείλονται στην επίδραση του πεπερασμένου μεγέθους τους. Αυτά είναι το όριο της μιας μόνο περιοχής και το όριο του υπερπαραμαγνητισμού. Σε μεγάλα μαγνητικά σωματίδια, είναι πολύ γνωστό ότι υπάρχει μία δομή πολλών περιοχών, όπου οι περιοχές της ενιαίας μαγνήτισης χωρίζοναι από τοιχώματα. Ο σχηματισμός των τοιχωμάτων είναι μια διαδικασία που κατευθύνεται από την ισορροπία μεταξύ της μαγνητοστατικής ενέργειας (ΔΕMS) η οποία αυξάνει αναλογικά με τον όγκο των υλικών και της ενέργειας τοιχωμάτων (Edw), η οποία αυξάνει αναλογικά με τη διεπιφάνεια μεταξύ των περιοχών. Εάν το μέγεθος του δείγματος μειωθεί, υπάρχει ένα κρίσιμο μέγεθος κάτω από το οποίο απαιτείται περισσότερη ενέργεια για να δημιουργηθεί ένα τοίχωμα από ότι να διατηρηθεί η εξωτερική μαγνητοστατική ενέργεια της μονοπεριοχής. Αυτή η κρίσιμη διάμετρος τυπικά βρίσκεται στην περιοχή των μερικών δεκάδων νανομέτρων και εξαρτάται από το υλικό. Η κρίσιμη διάμετρος ενός σφαιρικού σωματιδίου Dc κάτω από την οποία υπάρχει μία μόνο περιοχή όπου ισχύει ΔΕMS= Edw, δίνεται από την εξίσωση: 18 AK eff D c 2 (1.1) 1 Διπλωματική Εργασία

12 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ Όπου Α είναι η σταθερά ανταλλαγής, Keff είναι η σταθερά ανισοτροπίας, μο είναι η μαγνητική διαπερατότητα του κενού, και M η τιμή μαγνήτισης κόρου. Ένα σωματίδιο μιας μόνο περιοχής είναι ομοιόμορφα μαγνητισμένο με όλα τα spin να ευθυγραμμίζονται στην ίδια κατεύθυνση. Η μαγνήτιση θα αντιστραφεί με περιστροφή των spin αφού δεν υπάρχουν τοιχώματα να μετακινηθούν. Αυτός είναι ο λόγος για την πολύ υψηλή ικανότητα απομαγνητίσεως που παρατηρήθηκε σε μικρά νανοσωματίδια. Μια άλλη ιδιότητα που συμβάλλει στην υψηλή απομαγνήτιση του συστήματος μικρών σωματιδίων είναι και η ανισοτροπία σχήματος. (γ) (α) (δ) (β) (ε) (στ) Σχήμα 1.5: Οι διάφορες μαγνητικές επιδράσεις που συμβαίνουν στα μαγνητικά νανοσωματίδια. α)η διάταξη σπιν σε έναν σιδηρομαγνήτη β)έναν αντισιδηρομαγνήτη (AFM), D=διάμετρος, Dc=κρίσιμη διάμετρος. γ) Ενας συνδυασμός διαφορετικών μαγνητικών φάσεων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία νέων λειτουργικών νανοϋλικών για παράδειγμα, μόνιμων μαγνητών, που είναι υλικά με υψηλή παραμένουσα μαγνήτιση (Μr) και υψηλό συνεκτικό πεδίο (HC), όπως φαίνεται σχηματικά στην καμπύλη μαγνήτισης. δ)μία απεικόνιση μαγνητικών ροπών σε ένα υπερπαραμαγνητικό υλικό. Ένα υπερπαραμαγνητικό υλικό ορίζεται σαν ένα σύνολο γιγαντιαίων μαγνητικών ροπών που δεν αλληλεπιδρούν, και η οποία μπορεί να παρουσιάζει διακυμάνσεις, όταν η θερμική ενέργεια, kbt, είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια ανισοτροπίας. Υπερπαραμαγνητικά σωματίδια δεν παρουσιάζουν ούτε παραμένουσα μαγνήτιση ούτε συνεκτικό πεδίο δηλαδή, δεν υπάρχει υστέρηση στην καμπύλη μαγνήτισης. ε)η αλληλεπίδραση (σύζευξη ανταλλαγής, κόκκινες κουκκίδες) στη διεπειφάνεια μεταξύ ενός σιδηρομαγνήτη και ενός αντισιδηρομαγνήτη παράγει το αποτέλεσμα ανισοτροπίας ανταλλαγής. Σε ένα σύστημα ανταλλαγής ανισοτροπιών η υστέρηση μετατοπίζεται κατά μήκος του άξονα του πεδίου (πεδίο πόλωσης ανταλλαγής Ηeb και το συνεκτικό πεδίο αυξάνεται σημαντικά. στ)καθαρά αντισιδηρομαγνητικά νανοσωματίδια θα μπορούσαν να παρουσιάσουν υπερπαραμαγνητική αφηρέμιση, καθώς και μια καθαρή μαγνήτιση που προκύπτει από μια επιφάνεια αντισιδηρομαγνητικών ροπών (μπλε βέλη στο (β)). Αυτή η εικόνα, είναι μια απλοποιημένη άποψη κάποιων φαινομένων που είναι παρόντα σε μικρά μαγνητικά σωματίδια. Στην πραγματικότητα, ένας ανταγωνισμός μεταξύ των διαφόρων αποτελεσμάτων θα καθορίσει τη συνολική μαγνητική συμπεριφορά.7 Όλα τα παραπάνω ισχύουν με την παραδοχή σφαιρικών, μη αλληλεπιδρώντων σωματιδίων μιας μαγνητικής περιοχής. Στην πραγματικότητα τα νανοσωματίδια έχουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους, κατανομή μεγεθών και απόκλιση από το σφαιρικό σχήμα. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 11

13 Το δεύτερο σημαντικό φαινόμενο που συμμετέχει στη νανοκλίμακα των μαγνητικών σωματιδίων είναι το υπερπαραμαγνητικό όριο. Ο υπερπαραμαγνητισμός μπορεί να κατανοηθεί από τη θεώρηση ενός απομονωμένου σωματιδίου μιας μόνο περιοχής. Η μαγνητική ενέργεια ανισοτροπίας ανά σωματίδιο η οποία είναι υπεύθυνη για τη συγκράτηση των μαγνητικών ροπών κατά μήκος μια ορισμένης κατεύθυνσης μπορεί να εκφραστεί από την εξίσωση E (q) = KeffVsin 2 θ, όπου V είναι ο όγκος των σωματιδίων, Keff σταθερά ανισοτροπίας και θ είναι η γωνία μεταξύ της μαγνήτισης και του εύκολου άξονα. Το ενεργειακό φράγμα KeffV χωρίζει τις δύο ενεργειακές ισοδύναμες εύκολες διευθύνσεις της μαγνήτισης. Με τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων η θερμική ενέργεια, KBT, υπερβαίνει την ενέργεια φράγματος KeffV και η μαγνήτιση των νανοσωματιδίων μπορεί εύκολα λόγω θερμικών διαταραχών να αλλάξει διεύθυνση. Για KBT>KeffV το σύστημα συμπεριφέρεται σαν ένας παραμαγνήτης και αντί των ατομικών μαγνητικών ροπών, σε κάθε σωματίδιο υπάρχει μια γιγαντιαία μαγνητική ροπή (Σχήμα 1δ). Αυτό το σύστημα ονομάζεται υπερπαραμαγνήτης και δεν έχει καμιά υστέρηση Μέθοδοι σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων Οι μέθοδοι σύνθεσης χωρίζονται σε τρείς κατηγορίες ανάλογα με τη φάση στην οποία πραγματοποιούνται. Άρα υπάρχουν μέθοδοι στερεάς, υγρής και αέριας φάσης. Από αυτές τις μεθόδους οι μέθοδοι υγρής φάσης βασίζονται στη χημεία κολλοειδών διαλυμάτων και οργανομεταλλικών ενώσεων. H αξιοποίηση των μεθόδων αυτών έχει οδηγήσει στην παρασκευή ενός μεγάλου εύρους νανοσωματιδίων με διάφορα μεγέθη, σχήματα και ιδιότητες. Τα περισσότερα μαγνητικά νανοσωματίδια που έχουν συντεθεί, είναι οξείδια σιδήρου, δομές σπινελίου, μέταλλα (Fe, Co, Ni) και διάφορα κράματα (Fe-Co). Οι πιο διαδεδομένες μέθοδοι σύνθεσης είναι η χημική συγκαταβύθιση, θερμική αποσύνθεση, μικρογαλακτώματα, υδροθερμική σύνθεση. Όλες αυτές οι μέθοδοι σύνθεσης στοχεύουν στον καλύτερο έλεγχο του μεγέθους και σχήματος των νανοσωματιδίων, στη μικρή μέση κατανομή μεγεθών, στην αποφυγή συσσωμάτωσης και στην κρυσταλλικότητα των νανοσωματιδίων. 8 Υπάρχουν δύο γενικές κατηγορίες τεχνικών σύνθεσης νανοσωματιδίων στις οποίες ανήκουν όλες οι παραπάνω επιμέρους μέθοδοι σύνθεσης. Αυτές είναι οι εξής: Top-down Bottom-up H πρώτη τεχνική βασίζεται στο κατακερματισμό των μακροσκοπικών υλικών με πορεία προς τη σμίκρυνση και το σχηματισμό νανοσωματιδίων και αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως 12 Διπλωματική Εργασία

14 top-down προσέγγιση και σε αυτήν ανήκει η μέθοδος στερεάς φάσης. Η δεύτερη τεχνική βασίζεται στη σύνθεση νανοσωματιδίων από το ατομικό επίπεδο και σε αυτήν ανήκει η μέθοδος υγρής φάσης. Η κατανόηση των μηχανισμών παραγωγής μονοδιεσπαρμένων νανοσωματιδίων αποτελεί προϋπόθεση για την ανάπτυξη και βελτίωση των μεθόδων σύνθεσης σε διάφορα υλικά. Η διαδικασία της κρυστάλλωσης περιλαμβάνει τα στάδια της πυρηνοποίησης και της ανάπτυξης (Σχήμα 1.6). Για την παραγωγή ομοιόμορφων νανοσωματιδίων απαιτείται η ταχεία πυρηνοποίηση όσο το δυνατόν μεγαλύτερης ποσότητας υλικού. Σημαντικό είναι επίσης οι δύο διαδικασίες να διαχωρίζονται η μία από την άλλη και και να αποφεύγεται η πυρηνοποίηση κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης ώστε να επιτυγχάνεται η μονοδιασπορά των νανοσωματιδίων. Αυτό είναι το κλασσικό μοντέλο που προτάθηκε από τους LaMer και Dinegar. Μονοδιάσπαρτα σωματίδια συντίθενται σύμφωνα με το διάγραμμα LaMer πάνω από το κρίσιμο σημείο υπερκορεσμού (C>Sc) με ραγδαία πυρήνωση όταν η συγκέντρωση του μονομερούς αυξηθεί απότομα. Οι πυρήνες που σχηματίζονται, αρχίζουν να αναπτύσσονται στη συνέχεια με τον ίδιο ρυθμό, συνήθως μέσω συνδυασμού διάχυσης των ατόμων πάνω στον πυρήνα μέχρι να επιτευχθεί το τελικό τους μέγεθος, και προσδίδοντας έτσι στα σωματίδια μονοδιασπορά. Τα νανοσωματίδια μόλις παρασκευαστούν χαρακτηρίζονται από πολύ υψηλή επιφανειακή ενέργεια με αποτέλεσμα να συσσωματώνονται εύκολα ώστε να μειωθεί η ενέργειά τους. Σχήμα 1.6: Διάγραμμα συγκέντρωσης μονομερών με τον χρόνο αντίδρασης. Μηχανισμοί σχηματισμού ομοιόμορφων σωματιδίων. 9 Προκειμένου να παρεμποδιστεί η συσσωμάτωση, τα νανοσωματίδια θα πρέπει να σταθεροποιηθούν με κατάλληλους επιφανειοδραστικούς παράγοντες. Ελέγχοντας τον ρυθμό Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 13

15 πυρήνωσης και ανάπτυξης των σωματιδίων είναι δυνατόν να ελεγχθεί και το μέγεθος των νανοσωματιδίων. Όταν η πυρηνοποίηση είναι ταχεία η συγκέντρωση των πυρήνων που δημιουργούνται είναι μεγάλη επομένως παρασκευάζονται μικρά νανοσωματίδια (1.6α) ενώ όταν η πυρηνοποίηση γίνεται με πολύ αργό ρυθμό η συγκέντρωση των πυρήνων που δημιουργούνται είναι μικρή ώστε τα νανοσωματίδια που προκύπτουν είναι μεγάλα (1.6γ). Ένας άλλος μηχανισμός αναφέρει ότι η ομοιόμορφη ανάπτυξη μπορεί να πραγματοποιείται λόγω συσσωμάτωσης των αρχικά σχηματισθέντων μικρών νανοσωματιδίων και όχι μόνο από την αύξηση μεγέθους κατά τη διάχυση (1.6β). 6, 1 Μεταξύ των διαφορετικών μεθόδων σύνθεσης των μαγνητικών νανοσωματιδίων περιλαμβάνονται: Συγκαταβύθιση: Η συγκαταβύθιση είναι μια από τις παλαιότερες τεχνικές για τη σύνθεση των νανοσωματιδίων στην οποία πραγματοποιείται καθίζηση προϊόντων από διαλύματα. Στις αντιδράσεις συγκαταβύθισης, οι μεταλλικές πρόδρομες ουσίες διαλύονται σε έναν κοινό διαλύτη (όπως το νερό) και ένας παράγοντας καθίζησης προστίθεται για να σχηματίσει ένα αδιάλυτο στερεό. Πολλά μαγνητικά νανοσωματίδια μπορούν να συντίθενται χρησιμοποιώντας αυτήν την κλασική μέθοδο η οποία αποδίδει νανοσωματίδια που έχουν ευρεία κατανομή μεγέθους και ακανόνιστη μορφολογία. Τέτοια νανοσωματίδια είναι οξείδια σιδήρου, φερρίτες σπινελίου, μέταλλα και κράματα. Το μεγάλο πλεονέκτημα των αντιδράσεων συγκαταβύθισης είναι ότι μπορούν να συντεθούν μεγάλες ποσότητες σωματιδίων. Ωστόσο αυτή η μέθοδος παράγει σωματίδια με ευρεία κατανομή μεγεθών. Για την επίτευξη καλύτερου ελέγχου του μεγέθους των νανοσωματιδίων και της κολλοειδούς σταθερότητας στα διαλύματα χρησιμοποιούνται διάφορα είδη επικαλύψεων ή επιφανειοδραστικά. 8 Θερμική αποικοδόμηση: Μονοδιάσπαρτοι μαγνητικοί νανοκρύσταλλοι μικρού μεγέθους μπορούν να συντεθούν με τη θερμική απσύνθεση οργανομεταλλικών συστατικών, μέσα σε οργανικούς διαλύτες υψηλού βρασμού, περιέχοντας επιφανειοδραστικά που τα σταθεροποιούν. Οι οργανομεταλλικές πρόδρομες ουσίες αποτελούνται από μέταλλα, ακετυλακετόνες [M (acac)n], metal cupferronates [MxCupx] (M=metal ion, Cup=N-nitrosophenylhydroxylamine, C6H5N (NO)O-) ή carbonyls. Λιπαρά οξέα, ελαϊκό οξύ και hexadecylamine χρησιμοποιούνται συχνά ως επιφανειοδραστικά. Η αναλογία των οργανοµεταλλικών ενώσεων, επιφανειδραστικής ουσίας και διαλύτη είναι οι βασικές παράµετροι για τον έλεγχο του µεγέθους και της µορφολογίας των µαγνητικών νανοσωµατιδίων. Η θερµοκρασία και ο χρόνος της αντίδρασης όπως και η περίοδος γήρανσης µπορεί να είναι επίσης παράγοντες ζωτικής σημασίας για τον ακριβή έλεγχο του μεγέθους και της μορφολογίας Διπλωματική Εργασία

16 Μικρογαλακτώματα: To μικρογαλάκτωμα είναι ένα θερμοδυναμικά σταθερό, ισοτροπικό σύστημα στο οποίο διασπείρονται δύο μη αναμίξιμες φάσεις (νερό και λάδι) υπό την παρουσία επιφανειοδραστικών μορίων που σχηματίζουν ένα μονό στρώμα στη διεπιφάνεια μεταξύ λαδιού και νερού με τις υδρόφοβες ουρές των μορίων των επιφανειοδραστικών να διαλύονται στην ελαιώδη φάση και τις υδρόφιλες ομάδες κεφαλής στην υδατική φάση. Δηλαδή τα γαλακτώµατα αυτά έχουν νανο-σταγόνες νερού διεσπαρµένες σε λάδι σταθεροποιηµένο µε κάποια επιφανειοδραστική ουσία. Οι σταγόνες νερού προσφέρουν ιδανικό περιβάλλον για τον σχηµατισµό νανοσωµατιδίων, αλλά και για τον περιορισµό του µεγέθους τους. 11 Το µέγεθος των νανο-σταγονιδίων προσδιορίζεται από τη μοριακή αναλογία νερού / επιφανειοδραστικής ουσίας. 12 Το µέγεθος των νανοσωµατιδίων εκτός από το µέγεθος των σταγονιδίων επηρεάζεται και από τη συγκέντρωση των αντιδραστηρίων (κυρίως της επιφανειοδραστικής ουσίας) και την ευκαµψία του φιλµ της επιφανειοδραστικής ουσίας. Υδροθερμική: Μια εναλλακτική μέθοδος σύνθεσης είναι η υδροθερμική η οποία περιλαμβάνει διάφορες τεχνολογίες υγρής χημείας για την κρυστάλλωση ουσίας σε ένα σφραγισμένο δοχείο από υδατικό διάλυμα σε υψηλή θερμοκρασία (13-25 ο C)και υπό υψηλή πίεση ατμών (. 3-4MPa). Το μεγάλο πλεονέκτημα της τεχνικής αυτής είναι ο μεγάλος βαθμός κρυσταλλικότητας που εμφανίζουν τα νανοσωματίδια με αποτέλεσμα να παρουσιάζουν ενισχυμένες μαγνητικές ιδιότητες. Επιπλέον είναι μια μέθοδος που όταν συνδυάζεται με τη χημική συγκαταβύθιση οδηγεί στον καλύτερο έλεγχο του μεγέθους με αποτέλεσμα να δημιουργούνται μονοδιάσπαρτα νανοσωματίδια. Αυτή η μέθοδος μπορεί να παρασκευάζει και ασυνήθιστες νανοδομές όπως νανοσωλήνες και κοίλες σφαίρες Σημασία της επικάλυψης Απαραίτητη παράμετρος για τη βέλτιστη σύνθεση νανοσωματιδίων και τη διατήρηση των κολλοειδών τους διαλυμάτων είναι η αποφυγή συσσωμάτωσης και η σταθεροποίηση. Η σταθερότητα σε συστήματα διασποράς νανοσωματιδίων καθορίζεται από την εξισορρόπηση ελκτικών και απωστικών δυνάμεων. Πιο συγκεκριμένα, υπό την απουσία ενός εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου, η σταθερότητα των σωματιδίων κυρίως εξαρτάται από την ισορροπία μεταξύ ελκτικών δυνάμεων (αλληλεπιδράσεις διπόλου-διπόλου και αλληλεπιδράσεις van der Waals) και απωθητικών δυνάμεων (στερικές και ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις) που δρούν μεταξύ των μαγνητικών σωματιδίων (Σχήμα 1.7). 1,13. Οι πρώτες αλληλεπιδράσεις εξαρτώνται από τη φύση των σωματιδίων, ενώ οι άλλες αλληλεπιδράσεις σωματιδίου-σωματιδίου είναι ευαίσθητες στις εξωτερικές πειραματικές παραμέτρους, όπως η συγκέντρωση ηλεκτρολύτη και το pη του μέσου. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 15

17 Για να ελαχιστοποιηθεί η μαγνητική αλληλεπίδραση διπόλου-διπόλου, η ενέργεια αυτής της αλληλεπίδρασης θα πρέπει να είναι μικρότερη της θερμικής ενέργειας kbt. Για σιδηρομαγνητικά σωματίδια, η ενέργεια αλληλεπίδρασης διπόλου-διπόλου εξαρτάται από τον όγκο του σωματιδίου. Επομένως το μέγεθος του σωματιδίου θα πρέπει να μειωθεί ώστε η ενέργεια αλληλεπίδρασης διπόλου-διπόλου να είναι πολύ μικρότερη της θερμικής και να μην επηρεάζεται η σταθερότητα του σωματιδίου. Σε σύγκριση με τις δυνάμεις διπόλου-διπόλου οι δυνάμεις Van der Waals είναι πιο ισχυρές. Το μέγεθος των αλληλεπιδράσεων Van der Waals είναι αντιστρόφως ανάλογο της έκτης δύναμης της απόστασης ενώ το μέγεθος των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων διπόλου-διπόλου είναι αντιστρόφως ανάλογο της τρίτης δύναμης της απόστασης. Προκειμένου να αποφευχθεί η συσσωμάτωση των σωματιδίων in vitro και in vivo, απαιτείται τα σωματίδια να προστατεύονται έναντι μη αναστρέψιμης συσσωμάτωσης από τις δυνάμεις van der Waals. Αυτό μπορεί να συμβεί με την αύξηση της απόστασης των μεταλλικών πυρήνων των νανοσωματιδίων που επιτυγχάνεται μέσω προσροφημένων βιοσυμβατών υλικών (π. χ., PEG και δεξτράνη). Aυτά τα υλικά παρέχουν ηλεκτροστατική και στερική άπωση που μειώνουν την αλληλεπίδραση μεταξύ των νανοσωματιδίων. 13,14. Όταν επαρκής ποσότητα σταθεροποιητικού παράγοντα βρίσκεται επάνω στην επιφάνεια των σωματιδίων, η στερική σταθεροποίηση παρέχει σταθερότητα ακόμη και σε υψηλότερες συγκεντρώσεις ηλεκτρολύτη και σε ένα μεγάλο εύρος των τιμών pη. 13 Σχήμα 1.7: 15 Τεχνική επικάλυψης σχετικά μεγάλων μαγνητικών νανοκρυστάλλων που αναπτύχθηκε μέσω διαδοχικής επίστρωσης επικάλυψης με στρώμα από αρνητικά και θετικά φορτισμένα μόρια για τη μείωση του υδροδυναμικού μεγέθους και αύξησης του αριθμού των ενεργών θέσεων για να δεσμευτεί ισχυρά ένα βιοσυμβατό πολυμερές (δεξτράνη) Εκτός από την επίτευξη σταθερότητας η επικάλυψη λειτουργεί και ως ασπίδα από διαβρωτικά και οξειδωτικά περιβάλλοντα προστατεύοντας έτσι τον μαγνητικό πυρήνα από διάφορα χημικά είδη που υπάρχουν στο υδατικό διάλυμα. Ο συνδυασμός της επικάλυψης με τη μεγάλη αναλογία επιφάνειας προς τον όγκο των μαγνητικών νανοσωματιδίων παρέχει τη δυνατότητα πρόσδεσης διαφορετικών λειτουργικών ομάδων που επιτρέπουν επακόλουθη σύζευξη διάφορων βιομορίων (αντισώματα, φάρμακα, 16 Διπλωματική Εργασία

18 πεπτίδια, ένζυμα ή νουκλεΐδια)καθιστώντας τα νανοσωματίδια πολυλειτουργικά για διάφορες βιοϊατρικές εφαρμογές (Σχήμα 1.8). Σχήμα 1.8 :Σχηματική αναπαράσταση μαγνητικής δομής πυρήνα-κέλυφος Για in vivo εφαρμογές η επικάλυψη επηρεάζει σημαντικά τον χρόνο ημίσειας ζωής των νανοσωματιδίων στο αίμα. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια που έχουν εισχωρήσει στο αίμα υποβάλλονται σε οψονοποίηση. Η οψονοποίηση είναι μια διαδικασία κατά την οποία ξένα σωματίδια προς τον οργανισμό καλύπτονται από τις πρωτεϊνες του πλάσματος (οψονίνες) οι οποίες τα καθιστούν ευαίσθητα στα φαγοκύτταρα. Μόλις αυτές οι πρωτεΐνες προσεγγίσουν την επιφάνεια των νανοσωματιδίων, αλληλεπιδράσεις van der Waals, ηλεκτροστατικές, και η ισορροπία μεταξύ υδρόφιλων/υδρόφοβων σωματιδίων θα διευκολύνουν την πρόσδεση των οψονινών στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων. Σε γενικές γραμμές, η οψονοποίηση των υδρόφοβων σωματιδίων λαμβάνει χώρα ταχύτερα σε σύγκριση με εκείνη των υδρόφιλων σωματιδίων. Στη συνέχεια τα νανοσωματίδια συλλαμβάνονται από το δικτυοενδοθυλιακό σύστημα (Reticulo-Endothelial System: RES). Η κατάλληλη επικάλυψη είναι απαραίτητη για να εμποδιστεί η οψoνοποίηση των νανοσωματιδίων και να αυξηθεί η ικανότητα τους να επιβιώσουν στο RES. Η προσρόφηση των πρωτεϊνών του πλάσματος (οψονίνες) πάνω στην επιφάνεια (με αποτέλεσμα την αναγνώριση τους από τα μακροφάγα και την επιτυχή απομάκρυνση τους από το σύστημα) εξαρτάται από το μέγεθος των σωματιδίων. Έχει παρατηρηθεί ότι όσο πιο μικρό είναι το νανοσωματίδιο τόσο λίγες οψονίνες προσκολλώνται στην επιφάνεια τους. Επομένως από τη στιγμή που η επικάλυψη διαμορφώνει το τελικό μέγεθος των νανοσωματιδίων επηρεάζει και το χρόνο ζωής των νανοσωματιδίων. Άρα νανοσωματίδια με μεγαλύτερους χρόνους ημίσειας ζωής έχουν περισσότερες πιθανότητες να φτάσουν στο συγκεκριμένο στόχο (π.χ καρκινικός ιστός, Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 17

19 ειδικά όργανα, κύτταρα, πρωτεΐνες) και είναι κατάλληλα για εφαρμογές που απαιτούν αυξημένη διάρκεια ζωής νανοσωματιδίου. Επιπλέον η επικάλυψη των νανοσωματιδίων επηρεάζει και το ολικό επιφανειακό τους φορτίο. Ουδέτερο φορτίο αλληλεπιδρά ελάχιστα με τις πρωτεΐνες του πλάσματος (λιγότερη οψονοποίηση) και ως εκ τούτου συμβάλλει στον μεγαλύτερο χρόνο κυκλοφορίας τους, ενώ το υψηλό επιφανειακό φορτίο (θετικό ή αρνητικό) ενισχύει τη διαδικασία της φαγοκυττάρωσης. Τέλος η σωστή επικάλυψη της επιφάνειας των νανοσωματιδίων συμβάλλει και στην ελαχιστοποίηση της τοξικότητας. Τα μη επικαλυπτόμενα νανοσωματίδια παρουσιάζουν αποδιοργάνωση στο κυτταροσκελετό όπως επίσης και ανωμαλίες στην κυτταρική μεμβράνη ώστε να είναι τοξικά και να μην μπορούν να χορηγηθούν απευθείας στον οργανισμό. Για παράδειγμα, γυμνά (ακάλυπτα) οξείδια του σιδήρου είναι συχνά αρνητικά φορτισμένα σε νερό, λόγω της προσρόφησης των ιόντων ΟΗ - επί της επιφανείας τους. Το προκύπτον ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να προσελκύσει και ανιόντα και ως εκ τούτου, να προωθήσει την πρωτεϊνική προσρόφηση. Επιπλέον, τα ιόντα Cl - που ίσως να υπάρχουν στο μέσο καλλιέργειας κυττάρων μπορούν επίσης ανταγωνιστικά να συνδέονται προς το Fe, μεταβάλλοντας έτσι το pη του μέσου, μαζί με τα επιφανειακά χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων. Τέτοιες αλληλεπιδράσεις με το μέσο κυτταρικής καλλιέργειας, έχουν ως αποτέλεσμα μεταβολές στην ιοντική συγκέντρωση και λειτουργία της πρωτεΐνης, που μπορεί να προκαλέσει αποκόλληση του κυττάρου και στη συνέχεια μπορεί να οδηγήσει σε κυτταρικό θάνατο. Ωστόσο, τα επικαλυπτόμενα νανοσωματίδια δείχνουν, σε γενικές γραμμές, ελάχιστη αλληλεπίδραση με τα συστατικά του μέσου κυτταρικής καλλιέργειας, πιθανώς λόγω της διαθεσιμότητας των λιγότερων θέσεων για την προσρόφηση πρωτεϊνών στην επιφάνεια του σωματιδίου Βιοϊατρικές εφαρμογές μαγνητικών νανοσωματιδίων Τα μαγνητικά νανοσωματιδία αναπτύχθηκαν με βάση την ανάγκη εφαρμογών όχι μόνο σε επίπεδο έρευνας και υψηλής τεχνολογίας αλλά και καθημερινής ζωής. Ξεκίνησαν να εφαρμόζονται σε μέσα εγγραφής, μόνιμους μαγνήτες, καταλύτες καθώς και στη μικροηλεκτρονική. Στη συνέχεια σε πολλά νανοσωματίδια πραγματοποιήθηκε η τροποποίηση της επιφάνεια τους προσδίδοντας σε αυτά τοσο θεραπευτικές όσο και διαγνωστικές ιδιότητες. Tα νανοσωματίδια αυτά γνωστά ως theranostics διαθέτουν κατάλληλες φυσικές και χημικές ιδιότητες που μπορούν να εκμεταλλευτούν σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Αυτού του είδους τα νανοσωματίδια προσφέρουν την ευκαιρία για την έγκαιρη ανίχνευση των χρόνιων παθήσεων και των θεραπευτικών αποτελεσμάτων των νανοδομημένων φαρμάκων που χρησιμοποιούνται στην 18 Διπλωματική Εργασία

20 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ κλινική. Πολλά από αυτά τα νέα νανοσωματίδια περιέχουν ταυτόχρονα φάρμακο (-α) και παράγοντα (ες) απεικόνισης μέσα σε μεμονωμένα νανοσωματίδια για την ταυτόχρονη διάγνωση της νόσου και της θεραπείας.16 Σχήμα 1.9 Μαγνητικά νανοσωματίδια είναι ευέλικτη πλατφόρμα υλικών κατάλληλων για theranostics. Στοχευμένη απεικόνιση, θερμική θεραπεία, ακριβή απελευθέρωση του φαρμάκου, και ελέγχου σηματοδότησης των κυττάρων είναι μερικές από τις πιθανές εφαρμογές. Οι μοναδικές φυσικές ιδιότητες των MNPs δίνουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιούνται ως παράγοντες απεικόνισης για να διευκολύνουν την ανίχνευση μέσω MRI, ως θεραπευτικοί παράγοντες ώστε μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην υπερθερμία και στην απελευθέρωση φαρμάκου καθώς και για τον έλεγχο της σηματοδότησης και των λειτουργιών των κυττάρων. Τα ιδανικά χαρακτηριστικά των ΜNPs που χρησιμοποιούνται πιο συγκεκριμένα στη θεραπεία του καρκίνου είναι τα εξής: Υψηλή μαγνήτιση και στενή κατανομή μεγέθους. Η δυνατότητα επιφανειακής επίστρωσης με βιοαποικοδομήσιμο υλικό για την ελαχιστοποίηση της συσσωμάτωσης των νανοσωματιδίων. Ικανότητα σύζευξης με μια σειρά υποδοχέων, λειτουργικών ομάδων και φαρμάκων. Υψηλή στόχευση και αποτελεσματική διανομή του φαρμάκου. Αυξημένος χρόνος ημίσειας ζωής στο αίμα. Ικανότητα ανταπόκρισης σε μαγνητικό πεδίο, θερμότητα, ph. 17 Μερικές από τις βιοϊατρικές εφαρμογές των MNPs αναλύονται εν συντομία παρακάτω: Μαγνητική Τομογραφία (MRI): Η MRI είναι μια από τις πιο ισχυρές μη επεμβατικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται στην κλινική. Το MRI βασίζεται στους πυρήνες υδρογόνου (πρωτόνια) του σώματος (που βρίσκονται σχεδόν σε όλες τις ενώσεις, νερό, λίπος και άλλες Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 19

21 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ οργανικές ενώσεις) και προσανατολίζονται κατα μήκος του μαγνητικού πεδίου με έναν παλμό ραδιοσυχνότητας και στη συνέχεια ηρεμούν και επιστρέφουν στην αρχική τους κατάσταση. Κατά τη διαδικασία υπάρχει τοπική μεταβολή στην πυκνότητα των πρωτονίων ενός ιστού που παράγουν την εικόνα MRI. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια παίζουν σημαντικό χρόνο ως παράγοντες αντίθεσης που συσσωρεύονται στον ιστό και παρέχουν ενίσχυση της αντίθεσης με τη μείωση της διαμήκους (Τ1) και εγκάρσιας (Τ2) αφηρέμισης των πρωτονίων που περιβάλλουν. Η επιτυχία των ΜΝPs ως παράγοντες αντίθεσης μπορεί να παρατηρηθεί από τις διάφορες δομές οξειδίου σιδήρου που είναι διατεθειμένες και στο εμπόριο (π. χ feridex, feraheme). Τα ΜΝPs λόγω των ιδιοτήτων τους μπορούν να σκιαγραφήσουν έναν πρόωρο όγκο, μεταστάσεις, περιοχές φλεγμονών, αγγειογενέσεις, και να εντοπίζουν αγγεία παροχής αίματος στους όγκους (Σχήμα1.1)18 Σχήμα 1.1: Εικόνες MR καρκινικού όγκου ποντικιού πρίν και μετά την έγχυση νανοσωματιδίων με πεπτίδια (RGD, CTX). Χημειοθεραπεία-Διανομή φαρμάκου: H χημειοθεραπεία είναι μια από τις βιοϊατρικές εφαρμογές που έχει ως στόχο να αναστείλει την ανάπτυξη των καρκινικών κυττάρων μέσω της παράδοσης μικρών μορίων αναστολέων της κυτταρικής λειτουργίας. Πολλά χημειοθεραπευτικά φάρμακα αναστέλλουν την αντιγραφή του DNA ή συμβάλλουν στην επιδιόρθωση του γι 'αυτό είναι αναγκαία η πρόσβαση τους στον πυρήνα για τη σωστή λειτουργία του. Άλλα αναστέλλουν τη μιτοχονδριακή δραστικότητα, κυτταρική κινητικότητα, και τα συστατικά που συμβάλλουν στην κυτταρική διαίρεση. Η αποτυχία της χημειοθεραπείας συνήθως προκαλείται από την 2 Διπλωματική Εργασία

22 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ περιορισμένη δόση που μπορεί να εφαρμοστεί λόγω της πιθανής τοξικότητας των υγιών κυττάρων και της ανθεκτικότητας των καρκινικών κυττάρων που παρουσιάζουνσε αυτά τα φάρμακα. Η χρήση των νανοσωματιδίων για διανομή των χημειοθεραπευτικών φαρμάκων παρέχει κάποια σημαντικά πλεονεκήματα. Η πολυλειτουργικότητα των νανοσωματιδίων προσφέρει καλύτερη βιοκατανομή του φαρμάκου και δυνατότητα χορήγησης σε υψηλότερες δόσεις. Λόγω του μικρού τους μεγέθους είναι ιδιανικά για τη διανομή φαρμάκου καθώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μαγνητική στόχευση φαρμάκου σε συγκεκριμένες περιοχές του όγκου. Επιπλέον, το φάρμακο που συνδέεται με τα νανοσωματίδια μπορεί να υπερνικήσει την αντίσταση των καρκινικών κυττάρων σε πολλαπλά φάρμακα. 18 Σχήμα 1.11: Απελευθέρωση φαρμάκου από την επιφάνεια των νανοσωματιδίων για τη θεραπεία του καρκίνου. Υπερθερμία: Η υπερθερμία χρησιμοποιείται γενικά ως μια συμπληρωματική μέθοδος θεραπείας για τη θεραπεία του καρκίνου. Περιλαμβάνει τη χρήση ισχυρών ραδιοκυμάτων που μπορούν να παράγουν επαρκή αύξηση της θερμοκρασίας η οποία είναι ικανή να καταστρέψει διάφορους τύπους καρκινωμάτων. Καθώς αυτή η τεχνική δεν είναι πολύ συγκεκριμένη στη στόχευση των προσβεβλημένων κυττάρων, η περίσσεια ποσότητα της θερμότητας που παράγεται με τη μέθοδο αυτή μπορεί επίσης να επηρεάσει τα φυσιολογικά κύτταρα, τα οποία θα έχουν επιβλαβή αποτελέσματα. Μια καλύτερη προσέγγιση της μεθόδου αυτής είναι γνωστή ως «μαγνητική υπερθερμία», ή «θερμοθεραπεία», και έχει εξελιχθεί με στόχο την αύξηση της θερμοκρασίας ειδικά γύρω από μια περιοχή του καρκίνου χωρίς επιβλαβείς συνέπειες στους περιβάλλοντες ιστούς του σώματος. Μαγνητικά νανοσωματίδια σε μορφή σιδηρορευστών συγκεντρώνονται στην περιοχή του όγκου υπό την επίδραση εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. Η επαναλαμβανόμενη μεταβολή της κατεύθυνσης του μαγνητικού πεδίου διεγείρει τα νανοσωματίδια να παράγουν τεράστια ποσότητα θερμότητας. Το ποσό της θερμότητας που παράγεται από αυτά τα νανοσωματίδια εξαρτάται από την ένταση και τη διάρκεια έκθεσης του μαγνητικού πεδίου. Η αύξηση της θερμοκρασίας πολύ κοντά στην περιοχή του στόχου είτε καταστρέφει τον ιστό ή τον καθιστά ευαίσθητο στην ακτινοθεραπεία ή χημειοθεραπεία. Κλινικές Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 21

23 μελέτες για υπερθερμία μέσω νανοσωματιδίων ξεκίνησαν από Maier-Hauff και κάποιους άλλους. για να δοκιμαστεί η αποτελεσματικότητα της υπερθερμίας που προκαλείται από υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια (SPIONs)επικαλυπτόμενα από υμένιο αμινοσιλάνης για τη θεραπεία του πολύμορφου γλοιοβλαστώματος. 1,7,18 Γονιδιακή Θεραπεία: Η γονιδιακή θεραπεία στην απλούστερη προσέγγιση της, μπορεί να μεσολαβήσει για τη θεραπεία του καρκίνου από τη ρίζα της ασθένειας δηλαδή συμβαίνει βλάβη του DNA η οποία οδηγεί σε ανώμαλη έκφραση των πρωτεϊνών. Η κανονική συμπεριφορά των κυττάρων μπορεί να αποκατασταθεί μέσω της διανομής του DNA για να αντικαταστήσει το κατεστραμμένο γονίδιο. Ομοίως, η υπερέκφραση των ογκογονιδίων που προάγουν την καρκινογένεση μπορεί να ρυθμιστεί μέσω της παρεμβολής RNA (RNAi) με την παράδοση μικρών παρεμβατικών RNAs (sirnas). Τα νανοσωματίδια που έχουν σχεδιαστεί για τη γονιδιακή θεραπεία είναι γενικά κατιονικά από τότε που τα θετικά φορτισμένα νανοσωματίδια αλληλεπιδρούν με αρνητικά φορτισμένα νουκλεϊνικά οξέα για να σχηματίσουν σταθερά, συμπλέγματα. Αυτό είναι ιδιαίτερα αληθές για την παράδοση του DNA πλασμιδίου, το οποίο είναι σχετικά ευρύ (~ 1 nm), ακόμη και όταν είναι συνεπτυγμένο (~ 1 nm). Από την άλλη πλευρά, το sirna το οποίο είναι μικρό και άκαμπτο, είναι λιγότερο περιοριστικό για επικάλυψη πολυμερούς ουσίας. Μόλις ο δεσμός μεταξύ του νουκλεϊκού οξέος και του SPION εσωτερικεύεται, η παράδοση του DNA απαιτεί την πρόσβαση στον πυρήνα για επιτυχή διαμόλυνση ενώ το sirna χρειάζεται την πρόσβαση στο κυτταρόπλασμα για να αναστείλει τη μετάφραση του mrna. 18 Πρωτεϊνική θεραπεία: Ο στόχος της θεραπείας να παραδώσει μια επαρκή δόση της θεραπευτικής πρωτεΐνης σε καρκινικά κύτταρα, η οποία θεωρείται μια από τις πιο άμεσες και ασφαλείς μεθόδους για τη θεραπεία του καρκίνου. H θεραπεία με πρωτεΐνη μπορεί να περιλαμβάνει τον αποκλεισμό ενός υποδοχέα κυτταρικής επιφάνειας που εμπλέκεται στην καρκινογένεση, ή την ενδοκυτταρική διανομή πρωτεϊνών που συμμετέχουν στη σηματοδότηση των κυττάρων, είτε στην αργή ανάπτυξη κυττάρων και επαγωγή απόπτωσης. Τα νανοσωματίδια μπορεί να βελτιώσουν σημαντικά την παροχή πρωτεΐνης προστατεύοντάς τα από την υποβάθμιση της πρωτεάσης και ενεργώντας ως μέσο για την ενδοκυτταρική κυκλοφορία και την πρόσβαση. Επιπλέον, η θεραπεία μπορεί να ενισχύεται μέσω πολυδύναμων αποτελεσμάτων όπου τα πρωτεϊνικά μόρια τοποθετημένα στην περιοχή του νανοσωματιδίου, επιδρούν ισχυρότερα από ό, τι η πρωτεϊνη από μόνη της Στόχος της εργασίας-δείγματα που μελετήθηκαν Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η μελέτη των δομικών και μαγνητικών ιδιοτήτων υδατοδιαλυτών νανοσωματιδίων τα οποία έχουν 22 Διπλωματική Εργασία

24 παρασκευαστεί με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης καθώς και η μεταξύ τους σύγκριση. Η σύνθεση επιτυγχάνεται με τη μεταβολή παραμέτρων που αφορούν το χημικό περιβάλλον των νανοσωματιδίων με στόχο καταρχήν την κολλοειδή σταθερότητα των διαλυμάτων και τη διαμόρφωση των μαγνητικών τους χαρακτηριστικών με απώτερο σκοπό τη βελτιστοποίηση της θερμικής απόκρισης των νανοσωματιδίων κατά την εφαρμογή εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. Τα υπό μελέτη δείγματα είναι νανοσωματίδια μαγνητίτη με γενικό μοριακό τύπο Fe3O4 και νανοσωματίδια γκρεϊγκίτη με γενικό μοριακό τύπο Fe3S4. Ο μαγνητίτης αποτελεί μια από τις πρώτες δομές ορυκτών στον οποίο εφαρμόστηκε η περίθλαση των ακτίνων-χ. Αποδείχτηκε ότι είναι δομή αντίστροφου σπινελίου. Στη δομή του μαγνητίτη, η κάθε μοναδιαία κυψελίδα αποτελείται από 32 ιόντα Ο -2 τα οποία στοιβάζονται αρκετά κοντά σε ένα κυβικά ολοεδρικά κεντρωμένο πλέγμα κατά μήκος της διεύθυνσης[111]. Υπάρχουν 8 υπο-κυψελίδες για κάθε μοναδιαία κυψελίδα σπινελίου. Παράλληλα, ο τρισθενής και δισθενής σίδηρος καταλαμβάνει διαφορετικές θέσεις των κατιόντων, τις τετραεδρικές θέσεις (A) ( Fe 3+) και τις οκταεδρικές θέσεις (B) (Fe 2+ ) (Σχήμα 1.12). Από μαγνητικής άποψης ο μαγνητίτης είναι σιδηριμαγνήτης σε θερμοκρασία δωματίου και έχει θερμοκρασία Curie 85K. Κάτω από τη θερμοκρασία Curie τα spin που αντιστοιχούν στις Α και Β θέσεις είναι αντιπαράλληλα και έχουν άνισες μαγνητίσεις με αποτέλεσμα να προκαλείται το φαινόμενο του σιδηριμαγνητισμού. 19 Σχήμα 1.12: Κρυσταλλική δομή μαγνητίτη όπου διακρίνονται οι τετραεδρικές και οι οκταεδρικές θέσεις σιδήρου. Όσον αφορά τα μαγνητικά νανοσωματίδια μαγνητίτη είναι ευρέως γνωστά και έχουν χρησιμοποιηθεί σε διάφορα εμπορικά σκευάσματα Chemicell, Micromod, Bayer-Schering, γεγονός που τα καθιστά πιθανά υποψήφια υλικά σε διάφορες εφαρμογές της ιατρικής όπως είναι η υπερθερμία. 2 Έχουν αποκτήσει σημαντικό ενδιαφέρον γιατί είναι βιοδιασπώμενα και διαθέτουν μοναδικές ιδιότητες όπως υψηλή μαγνητική απόκριση, καλή βιοσυμβατότητα, χαμηλή τοξικότητα, υψηλή αντοχή και χαμηλό κόστος. 21 Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 23

25 O γκρεϊγκίτης ως ένα εναλλακτικό υλικό με πιθανή εξέλιξη στις βιοϊατρικές εφαρμογές, έχει δομή σπινελίου η οποία είναι ίδια με αυτή του μαγνητίτη (Fe3O4). Κρυσταλλώνεται στη δομή αντίστροφου σπινελίου (ομάδα διαστήματος Fd3m, Ζ = 8) (Σχήμα 1.13). Δεδομένου ότι ανήκει στη βασική φάση της οικογένειας θειοσπινελίου, οι μοναδικές μαγνητικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες του, έχουν προσελκύσει σημαντικό ενδιαφέρον σε στερεά κατάσταση της φυσικής και της χημείας. Σχήμα 1.13: Κρυσταλλική δομή σπινελίου και οκτάεδρα, τετράεδρα στον γκρεϊγκίτη. Το πιο σημαντικό είναι ότι ο γκρεϊγκίτης αναγνωρίζεται ολοένα και περισσότερο από γεωλογικής και γεωφυσικής σημασίας μέσω της επίσημης ταυτοποίησής του σε ιζήματα και αναερόβια μαγνητοτακτικά βακτήρια (Σχήμα 1.14). Τα μαγνητοτακτικά βακτήρια συνθέτουν μοναδικά οργανίδια τα μαγνητοσώματα τα οποία περιέχουν μαγνητικούς κρυσταλλίτες και περιβάλλονται από μία διπλή μεμβράνη λιπιδίων η οποία διακοσμείται από πρωτεΐνη. Τα περισσότερα μαγνητοσώματα συνήθως περιέχουν πυρήνα οξειδίου σιδήρου (μαγνητίτης Fe3O4)αλλά σε πολλά μαγνητοτακτικά προκαρυωτικά κύτταρα βρέθηκαν και σουλφιδία σιδήρου (γκρεϊγκίτης Fe3S4). Αυτά τα μαγνητοσώματα μπορούν να ευθυγραμμίσουν τα βακτήρια παράλληλα με την κατεύθυνση του γεωμαγνητικού πεδίου και να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στο γεωχημικό κύκλο του θείου και της μαγνήτισης των ιζημάτων. Όσον αφορά τις εφαρμογές του ο γκρεϊγκίτης ως ανάλογο υλικό με αυτό του μαγνητίτη έχει μελετηθεί και χρησιμοποιηθεί στη μαγνητική υπερθερμία όπως θα μελετήσουμε και εμείς στην παρούσα εργασία. Παρουσιάζει μεγάλες δυνατότητες στην ιατρική και στον κυτταρικό διαχωρισμό λόγω της αφθονίας του και της μη τοξικότητας του. Σε μετρήσεις υπερθερμίας που είχαν πραγματοποιηθεί, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, αποδείχτηκε ότι τα νανοσωματίδια γκρεϊγκίτη είχαν ελάχιστη επίδραση στα υγιή κύτταρα. 22 Το μειονέκτημα είναι ότι τα περισσότερα νανοσωματίδια που παρασκευάζονται, χαρακτηρίζονται από ανομοιογένεια και υδροφοβικότητα και αυτό περιορίζει τις ιατρικές τους εφαρμογές. Επιπλέον θεωρείται κατάλληλο υλικό να χρησιμοποηθεί ως υλικό ανόδου στις μπαταρίες ιόντων λιθίου και να 24 Διπλωματική Εργασία

26 αντικαταστήσει τον γραφίτη. Όπως επίσης και να χρησιμοποιηθεί ως ενδιάμεσο υλικό στα φωτοβολταϊκά. 23 Σχήμα 1.14:Σχηματική απεικόνιση μαγνητοσωμάτων που περιέχουν πυρήνες γκρεϊγκίτη Παρά τη σημασία του και την ευρεία παρουσία του σε ιζήματα και μαγνητοτακτικά βακτήρια, πολλές μαγνητικές ιδιότητες του παραμένουν άγνωστες λόγω της μεταβλητότητάς του. Αυτή η φάση σουλφιδίου είναι επιρρεπής στην οξείδωση στον αέρα, αποσυντίθεται σε υψηλές θερμοκρασίες, και αντιδρά για να σχηματίσει άλλα σουλφίδια σιδήρου. Επιπλέον παράγεται σε πολλές συνθέσεις και επηρεάζεται από προσμείξεις, ατέλειες πλέγματος και μικρό μέγεθος κόκκων, που οδηγεί σε υπερπαραμαγνητικές επιδράσεις. Ένα μόνιμο πρόβλημα ήταν ότι η μαγνητική δομή του Fe3S4 δεν είναι ακόμη σαφής, αν και η κρυσταλλική δομή του έχει εδραιωθεί. Έχει θεωρηθεί ότι ο γκρεϊγκίτης έχει την ίδια μαγνητική δομή όπως ο μαγνητίτης, λόγω της παρόμοιας κρυσταλλογραφικής δομής τους. Ωστόσο από προηγούμενες μελέτες έχει αποδειχτεί ότι η μαγνήτιση κόρου του γκρεϊγκίτη είναι αρκετά μικρότερη από αυτή του μαγνητίτη. Διάφορα μοντέλα έχουν προταθεί για τη μαγνητική και την ηλεκτρονική δομή του γκρεϊγκίτη. Βάσει των μετρήσεων φασματοσκοπίας Μοssbauer ο Coey πρότεινε ότι o γκρεϊγκίτης είχε την ίδια σιδηριμαγνητική δομή όπως ο μαγνητίτης, αλλά η αναμενόμενη καθαρή μαγνητική ροπή του ( 4μΒ) ήταν ασυμβίβαστη με τη μετρούμενη μαγνητική ροπή. 24 Πρόσφατες μαγνητικές μετρήσεις για τα καθαρότερα δείγματα γκρεϊγκίτη έδειξαν ότι η μαγνήτιση κόρου εκτιμήθηκε γύρω στους 67 emu/g. 25 και σε παλαιότερες γύρω στους 59 emu/g 24 αλλά δεν έχει εξακριβωθεί η τιμή μαγνήτισης του bulk δείγματος γκρεϊγκίτη. Με βάση αυτές τις τιμές προκύπτει ότι είναι μικρότερη από αυτή του μαγνητίτη. Πιθανολογείται ότι η κατανομή (Fe 2+, Fe 3+ ) σε γκρεϊγκίτη είναι διαφορετική από μαγνητίτη, δηλαδή ότι η μαγνητική κατάσταση αυτών των ιόντων είναι διαφορετική, ή ότι η μαγνητική δομή δεν είναι συγγραμική σιδηριμαγνητική όπως βρέθηκε σε μαγνητίτη. Σε μια μελέτη που πραγματοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της μαγνητικής δομής χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό της διάθλασης σκόνης νετρονίων και διάθλασης πολωμένων Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 25

27 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ νετρονίων σε ένα εξαιρετικά καθαρό συνθετικό δείγμα Fe3S4 αποδείχτηκε ότι οι αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής μεταξύ των θέσεων Α-Β στον γρεϊγκίτη είναι ασθενέστερες από ότι στον μαγνητίτη πράγμα που προκύπτει ότι ο γκρεϊγκίτης εμφανίζει μικρότερες μαγνητικές ροπές. Η διαφορά αυτή προκύπτει από την αύξηση του βαθμού ομοιοπολικότητας μεταξύ του σιδήρου και του θείου σε σύγκριση με τους προσδέτες οξυγόνου σε μαγνητίτη ή από τη μεγαλύτερη μετεγκατάσταση των 3d ηλεκτρονίων στον γκρεϊγκίτη.24 Στη παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε σύνθεση νανοσωματιδίων μαγνητίτη και γκρεϊγκίτη μέσω της μεθόδου της χημικής συγκαταβύθισης με προσθήκη επιφανειοδραστικών ουσιών (κιτρικό οξύ, δεξτράνη, CTAB) με στόχο την επίτευξη καλύτερου ελέγχου μεγέθους νανοσωματιδίων σε μια προσπάθεια να αυξηθεί η κολλοειδής σταθερότητά τους. Στο Σχήμα 1.15 αποτυπώνονται οι μοριακές δομές των επιφανειοδραστικών που χρησιμοποιήθηκαν. Σχήμα 1.15: Από αριστερά προς τα δεξιά: Το μόριο του κιτρικού οξέος, του CTAB, της δεξτράνης Το κιτρικό οξύ (citric acid)είναι ένα ασθενές οργανικό οξύ με τον τύπο C6H8O7 και αποτελείται από τρεις καρβοξυλικές ομάδες (R-COOH) και μία υδροξυλική ομάδα. Το μόριο αυτό προσροφάται στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων σχηματίζοντας μια καρβοξυλική ομάδα με την παρουσία μορίων Fe-OH αφήνοντας μια ή δύο καρβοξυλικές ομάδες αρνητικά φορτισμένες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για άλλους σκοπούς. Ένα θετικά φορτισμένο φάρμακο ή μία φθορίζουσα ουσία όπως η ροδαμίνη μπορούν να συνδεθούν σ αυτές τις ομάδες για διάφορες εφαρμογές όπως μεταφορά φαρμάκου. Επειδή το κιτρικό οξύ θεωρείται μικρό μόριο το υδροδυναμικό μέγεθος των νανοσωματιδίων δεν θεωρείται πολύ μεγάλο, παράμετρος που είναι σημαντική σε εφαρμογές της μαγνητικής υπερθερμίας.26 Από τη βιβλιογραφία σωματίδια οξειδίου σιδήρου με διάμετρο πυρήνα 5nm που είχαν επικαλυφθεί με κιτρικό οξύ απέκτησαν υδροδυναμική διάμετρο 8nm.27 To CTAB (Cetyltrimethylammonium bromide, hexadecyltrimethylammonium bromide, Cetrimonium bromide) έχει μοριακό τύπο C19H42BrN και είναι ένα θετικά φορτισμένο 26 Διπλωματική Εργασία

28 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ επιφανειοδραστικό το οποίο σχηματίζει μεγάλη αλυσίδα και χρησιμοποιείται ως μέσο επικάλυψης των νανοσωματιδίων. Η χρήση του στοχεύει στη μείωση μεγέθους των σωματιδίων και στην καλύτερη διασπορά τους στο διάλυμα. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία το μέγεθος μη επικαλυπτόμενων νανοσωματιδίων ήταν 245.2nm το οποίο μειώθηκε σε 176nm μετά την τροποποίηση με CTAB. Χαρακτηριστικό του είναι επίσης ότι δεν μεταβάλλει τις μαγνητικές ιδιότητες των μαγνητικών νανοσωματιδίων.28 Επιπλέον το CTAB χαρακτηρίζεται από αντισηπτική δράση και μεταβάλλει το επιφανειακό φορτίο οδηγώντας στην καλύτερη επίτευξη κολλοειδούς σταθερότητας. H Δεξτράνη (C6H1O5) είναι ένα διακλαδισμένο πολυσακχαρίδιο και χρησιμοποιείται συνήθως για την επικάλυψη των νανοσωματιδίων. Λόγω του άπειρου μεγέθους της αλυσίδας της οδηγεί στη μείωση της συσσωμάτωσης. Σε διάλυμα, η δεξτράνη αλληλεπιδρά με την επιφάνεια των μεταλλικών νανοσωματιδίων για να σχηματίσει επικαλυμμένα νανοσωματίδια με υδροδυναμικές διαμέτρους 2 έως 15 nm. Για παράδειγμα σύμφωνα με τη βιβλιογραφία νανοκρύσταλλοι μαγνητίτη μεγέθους 22nm με επικάλυψη δεξτράνης απέκτησαν υδροδυναμική διάμετρο 13nm.29 Τα επικαλυπτόμενα νανοσωματίδια με δεξτράνη χρησιμοποιούνται για πολλούς σκοπούς, μεταξύ άλλων και ως μέσα αντίθεσης MRI, για να ερευνήσουν τη συσσώρευση και την κυτταρική πρόσληψη σε κακοήθη νεοπλάσματα in vivo, και να μετατρέψουν τα νανοσωματίδια σε ενεργούς στοχευμένους ανιχνευτές.3 Μεταξύ άλλων επικαλύψεων η δεξτράνη η οποία θεωρείται ότι είναι αντιθρομβωτική ουσία προτιμάται λόγω της εξαιρετικά χαμηλής τοξικότητας δια της ενδοφλέβιας οδού, της ενίσχυσης του χρόνου κυκλοφορίας στο αίμα, και της παρουσίας χημικών ομάδων στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων που τα καθιστά πολυλειτουργικά.15 Επιφανειοδραστική Ουσία M12 - M14 - M15 - M16 Κιτρικό οξύ M17 CTAB M18 Δεξτράνη FS2 - FS3 κιτρικό οξύ FS4 CTAB FS5 Δεξτράνη Fe3S4 Κωδικός Γκρεϊγκίτης Σειρά Fe3O4 Μαγνητίτης Πίνακας 1.1: Τα δείγματα μaγνητίτη (Fe3O4) και γκρεϊγκίτη (Fe3S4) που μελετώνται στην εργασία. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 27

29 Αφού πραγματοποιήθηκε επιτυχώς η σύνθεση των δειγμάτων που διακρίνονται στον Πίνακα 1.1 με και χωρίς χρήση επιφανειοδραστικών ουσιών, ακολούθησε ο δομικός χαρακτηρισμός των νανοσωματιδίων μέσω του οποίου έγινε η ταυτοποίηση και η κατανομή μεγέθους τους. Στη συνέχεια έγινε ο μαγνητικός χαρακτηρισμός μέσω του οποίου καταγράφηκαν και αναλύθηκαν βρόχοι υστέρησης και θερμοκρασιακές μεταβολές μαγνήτισης. Τέλος, ελήφθησαν μετρήσεις μαγνητικής υπερθερμίας σε διάφορες συγκεντρώσεις διαλυμάτων και σε πεδία διαφορετικής έντασης. Στη μέθοδο της μαγνητικής υπερθερμίας τα νανοσωματίδια εκτίθενται σε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο παράγοντας θερμότητα λόγω μαγνητικής υστέρησης. Η θερμική απόκριση των νανοσωματιδίων ελέγχεται μέσω του δείκτη ειδικών απωλειών ενέργειας (SLP). Αφού ολοκληρώθηκε όλη η παραπάνω ανάλυση έγινε σύγκριση μεταξύ δομικών μαγνητικών χαρακτηριστικών και αποτελεσμάτων μαγνητικής υπερθερμίας η οποία θα οδηγήσει στην επίτευξη βέλτιστων δειγμάτων νανοσωματιδίων για την καταπολέμηση καρκινικών κυττάρων σε θερμοκρασία (41-45 o C). 28 Διπλωματική Εργασία

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΣΥΝΘΕΣΗ - ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ 2.1. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ 2.2. ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΟΛΛΟΕΙΔΟΥΣ ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑΣ 2.3. ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 2.4. ΔΟΜΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ 2.5. ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ 2.6. ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ 2.7. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΜΕΣΩ ΦΥΣΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ Στο πρώτο μέρος του κεφαλαίου αυτού θα περιγραφεί η μεθοδολογία σύνθεσης των μαγνητικών νανοσωματιδίων μαγνητίτη και γκρεϊγκίτη. Θα παρουσιαστούν τα γενικά χαρακτηριστικά της χημικής συγκαταβύθισης και θα αναφερθούν οι μέθοδοι και οι συνθήκες σύνθεσης που ακολουθήθηκαν για την παρασκευή των δειγμάτων. Στο δεύτερο μέρος θα ακολουθήσει ο δομικός και μορφολογικός χαρακτηρισμός των νανοσωματιδίων που περιλαμβάνει τα διαγράμματα των ακτινών-χ και τις εικόνες μικροσκοπίας μέσω των οποίων θα γίνει η ταυτοποίηση της δομής τους και της κατανομής των μεγεθών τους. Στη συνέχεια θα πραγματοποιηθεί ανάλυση των βρόχων υστέρησης με στόχο την εύρεση των μαγνητικών τους χαρακτηριστικών. Τέλος θα γίνει συσχετισμός σύνθεσης, δομής, μορφολογίας και μαγνητισμού δίνοντας μια ολοκληρωμένη εικόνα της χημικής σύστασης, του μεγέθους της κατανομής και των μαγνητικών ιδιοτήτων των νανοσωματιδίων. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 29

31 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 2.1 Μεθοδολογία σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων H σύνθεση μαγνητικών νανοσωματιδίων μαγνητίτη (Fe3O4) και γκρεϊγκίτη (Fe3S4) πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης. Η μέθοδος της χημικής συγκαταβύθισης είναι μια εύκολη μέθοδος σύνθεσης συνήθως οξειδίων σιδήρου από υδατικά διαλύματα αλάτων Fe2+/Fe3+ σε βασικό περιβάλλον υπό αδρανή ατμόσφαιρα σε θερμοκρασία δωματίου ή σε αυξημένες θερμοκρασίες.1 Η σχηματική αναπαράσταση της μεθόδου φαίνεται στο Σχήμα 2.1 Η συνολική αντίδραση ακολουθείται από την παρακάτω χημική αντίδραση: 2Fe3++Fe2++8OH- Fe3O4+4H2O Το μέγεθος, το σχήμα και η σύσταση των νανοσωματιδίων εξαρτάται από το είδος των αλάτων (χλωριούχα, θειικά, νιτρικά), την αναλογία Fe2+/Fe3+, τη θερμοκρασία αντίδρασης, το ph και την ιονική ισχύ του διαλύτη και από άλλες παραμέτρους αντίδρασης (ρυθμός ανάδευσης).11 Σχήμα 2.1: Σχηματική αναπαράσταση της πειραματικής διάταξης της χημικής συγκαταβύθισης όπου διακρίνονται τα στάδια της σύνθεσης και του μαγνητικού διαχωρισμού. Αυτή η μέθοδος σύνθεσης είναι μία γρήγορη και ευέλικτη μέθοδος από την οποία προκύπτει αυξημένη απόδοση παραγωγής νανοσωματιδίων με επιθυμητή μορφολογία και χαρακτηριστικά και διακρίνεται από υψηλή επαναληψιμότητα. Μερικά από τα μειονεκτήματα που κυριαρχούν είναι η πολυδιασπορά και η μη ικανοποιητική κρυστάλλωση που έχουν σαν αποτέλεσμα τη χαμηλή μαγνήτιση κόρου.1 Το κλειδί για την επίτευξη της μονοδιασποράς είναι ο έλεγχος των διαδικασιών της ανάπτυξης και της πυρηνοποίησης.31 Λόγω της εξάρτησης της θερμοκρασίας μπλοκαρίσματος από το μέγεθος των σωματιδίων η ευρεία κατανομή μεγέθους έχει σαν αποτέλεσμα το μεγάλο εύρος των θερμοκρασιών μπλοκαρίσματος που οδηγούν σε μια 3 Διπλωματική Εργασία

32 μη ιδανική κατάσταση μαγνητικής συμπεριφοράς για πολλές εφαρμογές. 1 Επιπρόσθετα πρέπει να σημειωθεί ότι στην περίπτωση των νανοσωματιδίων μαγνητίτη, τα σωματίδια αυτά δεν είναι πολύ σταθερά σε συνθήκες περιβάλλοντος και μπορούν εύκολα να οξειδωθούν σε μαγκεμίτη Fe2O3 ή να διαλυθούν σε όξινα μέσα. Για να αποφευχθεί η πιθανή οξείδωση στον αέρα η σύνθεση των νανοσωματιδίων μαγνητίτη πρέπει να πραγματοποιείται σε συνθήκες κενού. 6 Πολλές φορές βέβαια επιδιώκεται μετατροπή των νανοσωματιδίων μαγνητίτη σε μαγκεμίτη είτε με οξείδωση η οποία επιτυγχάνεται με διασπορά τους σε όξινο μέσο, και στη συνέχεια με προσθήκη του νιτρικού σιδήρου (III), είτε με ανόπτηση υπό ατμόσφαιρα οξυγόνου. Η οξείδωση δεν είναι σημαντικός παράγοντας για τα νανοσωματίδια μαγκεμίτη γιατί είναι χημικά σταθερά τόσο σε αλκαλικό όσο και σε όξινο περιβάλλον. 31 Στην παρούσα εργασία για τη σύνθεση των νανοσωματιδίων Fe3O4 χρησιμοποιήθηκαν ως πρόδρομες ενώσεις ο εναμμώνιος θειϊκός σίδηρος (NH4) 2. Fe (SO4) 2. 6H 2O και το θειικό άλας τρισθενούς σιδήρου Fe2 (SO4) H2O. Δηλαδή ο μαγνητίτης παρασκευάστηκε με την ταυτόχρονη καταβύθιση των δύο παραπάνω ενώσεων σε υδάτινο διάλυμα υπό ισχυρό αλκαλικό περιβάλλον. Μ αυτόν τον τρόπο παρασκευάστηκαν τρία δείγματα νανοσωματιδίων μαγνητίτη (Μ12, Μ14, Μ15) με διαφορετική γραμμομοριακή αναλογία Fe 2+ /Fe 3+. Αρχικά διαλύθηκαν συγκεκριμένες ποσότητες των παραπάνω αλάτων σε 5 ml αποσταγμένου νερού και η ανάδευση πραγματοποιήθηκε με μηχανικό αναδευτήρα μέχρι το διάλυμα να γίνει διάφανο. Στη συνέχεια προστέθηκαν σταδιακά περίπου 12mL NaOH μέχρι το ph να γίνει Με την προσθήκη του NaOH το διάλυμα γίνεται πυκνό, φουσκώνει και μετά ιζηματοποιείται λόγω της καταβύθισης. Το μίγμα διατηρείται υπό σταθερή ανάδευση περίπου για 3min. Ύστερα από το τέλος της ανάδευσης το δείγμα αφήνεται να ηρεμήσει και το στερεό διαχωρίζεται από το υγρό είτε τοποθετώντας το ίζημα στη συσκευή φυγοκέντρησης είτε με τη χρήση μαγνητών αφού πρώτα πραγματοποιούνται αρκετές πλύσεις με αποσταγμένο νερό. Η πλύση έχει ως στόχο τη μείωση της αγωγιμότητας του διαλύματος. Με τη φυγοκέντρηση απομένει μόνο η στερεά φάση εύκολα και γρήγορα και προτιμάται όταν το διάλυμα υπάρχει σε μεγάλη ποσότητα διαφορετικά γίνεται χρήση μαγνητών. H παρασκευή των νανοσωματιδίων ολοκληρώνεται θερμαίνοντας το τελικό προϊόν σε φούρνο γύρω στους 8-9 ο C ή αφήνοντας το σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για περίπου μία μέρα ώστε να λάβουμε την τελική σκόνη του μαγνητίτη. Συνήθως αποφεύγεται η θέρμανση σε φούρνο γιατί υπάρχει μεγάλη πιθανότητα ο μαγνητίτης να οξειδωθεί σε μαγκεμίτη. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 31

33 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ Σχήμα 2.2: Στάδια διαδικασίας σύνθεσης των μαγνητικών νανοσωματιδίων α) ταυτόχρονη καταβύθιση των ενώσεων και ανάδευση με μαγνήτη β) ανάδευση διαλύματος με μηχανικό αναδευτήρα γ) διαχωρισμός μαγνητικού υλικού με χρήση μαγνητών δ) το μαγνητικό υλικό που απομένει από τον διαχωρισμό ε) διαχωρισμός μαγνητικού υλικού σε συσκευή φυγοκέντρησης στ) ξήρανση υλικού σε φούρνο. Πίνακας 2.1:Τα δείγματα μαγνητίτη (Fe3O4)που παρασκευάστηκαν Ένωση Α M14 M15 M16 M17 M18 g (mol) 29.4 (. 75) 3 (. 77) 15 (. 38) 3 (. 76) 3 (. 76) 3 (. 76) Ένωση Β Fe3+ Fe 2 (SO 4 ) H 2 O M12 Fe2+ (N H 4 ) 2. F e (SO 4 ) 2. 6H 2 O Κωδικός Επιφανειοδραστικά g (mol) Ουσία g 25 (. 44) (. 27) (. 357) (. 71) Κιτρικό οξύ. 5 4 (. 71) CTAB. 5 4 (. 71) Δεξτράνη. 5 Αφού πρώτα παρασκευάστηκαν τρία δείγματα μαγνητίτη (Μ12, Μ14, Μ15) με διαφορετικές αναλογίες πρόδρομων ενώσεων έγινε επιλογή του βέλτιστου δείγματος (M14) όσον αφορά τα μαγνητικά του χαρακτηριστικά και της θερμικής του απόδοσης, όπως θα αποδειχθεί παρακάτω. Λαμβάνοντας υπόψη την αναλογία των πρόδρομων ενώσεων που χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή του δείγματος Μ14 πραγματοποιήθηκε παρασκευή δειγμάτων μαγνητίτη με χρήση επιφανειοδραστικών ουσιών όπως κιτρικού οξέος, CTAB και δεξτράνης (Μ16, Μ17, Μ18 32 Διπλωματική Εργασία

34 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ αντίστοιχα)κατά το πρώτο στάδιο της διαδικασίας σύνθεσης. Το σύνολο των δειγμάτων μαγνητίτη που συντέθηκαν φαίνονται στον Πίνακα 2.1. Πίνακας 2.2: Τα δείγματα γκρεϊγκίτη (Fe3S4) που παρασκευάστηκαν Ένωση Α FS2 FS3 FS4 FS5 FeSO 4. 7H 2 O Fe2+ g (mol) Ένωση Β Fe (. 4) Na2S Κωδικός g (mol) Επιφανειοδραστικά Ουσία g - - κιτρικό οξύ. 2 CTAB. 2 Δεξτράνη (. 35) Για τη σύνθεση νανοσωματιδίων Fe3S4 χρησιμοποιήθηκαν ως πρόδρομες ενώσεις FeSO 4. 7H 2 O και θειούχο νάτριο Να 2 S. Δηλαδή ο γκρεϊγκίτης παρασκευάστηκε με την ταυτόχρονη καταβύθιση των δύο παραπάνω ενώσεων σε υδάτινο διάλυμα. Με αυτή τη διαδικασία σύνθεσης παρασκευάστηκαν τέσσερα δείγματα νανοσωματιδίων γρεϊγκίτη από τα οποία τα τρία περιείχαν και ένα είδος επιφανειοδραστικής ουσίας (κιτρικό οξύ, CTAB, δεξτράνη). Αρχικά διαλύθηκαν 1.11g FeSO 4. 7H 2 O σε 4mL απεσταγμένου νερού με 2.75g Να 2 S σε 12mL απεσταγμένου νερού. Κατά την ανάδευση του διαλύματος με τη χρήση οξικού οξέος έγινε ρύθμιση του ph μέχρι να λάβει την τιμή 3.5. Αρχικά σχηματίστηκε το FeS το οποίο οξειδώνεται μερικώς σε Fe3S4 από την αναδιάταξη των ανιόντων S του υποπλέγματος. Η ανάδευση διήρκεσε περίπου 5 λεπτά και στη συνέχεια ακολούθησε ταχεία φυγοκέντρηση μέχρι να διαχωριστεί η στερεά φάση από την υγρή φάση. Αυτό συμβαίνει γιατί η επαφή μεγάλης διάρκειας με το νερό και η περίσσεια των ανιόντων S μπορεί να καταστήσει δυνατή την περαιτέρω οξείδωση σε FeS 2 ή υποβάθμιση τους σε οξείδια σιδήρου. Το τελικό στάδιο της παρασκευής των νανοσωματιδίων ολοκληρώθηκε με την ξήρανση του δείγματος γύρω στους 1ο C. Αφού ολοκληρώθηκε η παρασκευή του δείγματος γκρεϊγκίτη (FS2) με την ίδια διαδικασία παρασκευάστηκαν άλλα τρία δείγματα γκρεϊγκίτη με τη χρήση επιφανειοδραστικών ουσιών κιτρικού οξέος, CTAB και δεξτράνης (FS3, FS4, FS5 αντίστοιχα)κατά το πρώτο στάδιο της σύνθεσης (Πίνακας 2.2). 2.2 Έλεγχος κολλοειδούς σταθερότητας Αφού ολοκληρώθηκε η σύνθεση όλων των δειγμάτων δημιουργήσαμε υδάτινα διαλύματα σε διάφορες συγκεντρώσεις και ελέγξαμε οπτικά την κολλοειδή τους σταθερότητα αφού πρώτα Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 33

35 τα τοποθετήσαμε στη συσκευή υπερήχων και τα αφήσαμε για 15 περίπου λεπτά. Οπτικός έλεγχος της κολλοειδούς σταθερότητας και της καθίζησης των νανοσωματιδίων έχει πραγματοποιηθεί και σε εμπορικά σκευάσματα όπως έχει καταγραφεί και στη βιβλιογραφία. 32 Στόχος μας ήταν να πετύχουμε βέλτιστη κολλοειδή σταθερότητα με τη χρήση επιφανειοδραστικών ουσιών (δεξτράνη, κιτρικό οξύ, CTAB). Αρχικά παρατηρήσαμε τα δοχεία με τα υδατοδιαλύματα μαγνητίτη σε διάφορες χρονικές στιγμές και συμπεράναμε ότι οπτικά καλύτερη κολλοειδή σταθερότητα παρουσιάζει το δείγμα Μ18 σε συγκέντρωση 6mg/mL δηλαδή το δείγμα στο οποίο χρησιμοποιήθηκε ως επικάλυψη η δεξτράνη. Στο σχήμα 2.3 διακρίνονται ενδεικτικά τα δείγματα μαγνητίτη μόλις βγήκαν από τη συσκευή υπερήχων και μετά από μια ώρα. Σχήμα 2.3: Οπτική καταγραφή υδατοδιαλυμάτων νανοσωματιδίων μαγνητίτη χωρίς επικάλυψη (M14) και με επικάλυψη (M16, M17, M18) μετά την είσοδο τους στη συσκευή υπερήχων και 1ώρα μετά. Σχήμα 2.4: Οπτική καταγραφή υδατοδιαλυμάτων νανοσωματιδίων γκρεϊγκίτη χωρίς επικάλυψη (FS2) και με επικάλυψηfs3 (κιτρικό οξύ), FS4 (CTAB), FS5 (δεξτράνη) μετά την είσοδο τους στη συσκευή υπερήχων και 1ώρα μετά. Στη συνέχεια παρατίθενται τα υδατοδιαλύματα γκρεϊγκίτη σε συγκεντρώσεις 4, 6, 8 mg/ml μόλις βγήκαν από τη συσκευή υπερήχων και μία ώρα μετά. Παρατηρούμε ότι τα διαλύματα με τη χρήση επιφανειοδραστικών (κιτρικό οξύ, CTAB, δεξτράνη )οπτικά παρέμειναν στην ίδια κατάσταση αποδεικνύοντας την κολλοειδή τους σταθερότητα ενώ στο υδατοδιάλυμα γκρεϊγκίτη χωρίς επιφανειοδραστικό, σχηματίστηκε ίζημα στον πυθμένα του δοχείου (Σχήμα 2.4) 34 Διπλωματική Εργασία

36 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 2.3 Χημική ανάλυση Η ατομική απορρόφηση φλόγας χρησιμοποιήθηκε για την εύρεση του ολικού ποσοστού σιδήρου που περιεχόταν στα δείγματα μαγνητίτη και γκρεϊγκίτη που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης. Γενικά η φασματομετρία ατομικής απορρόφησης φλόγας συγκαταλέγεται στις οπτικές μεθόδους ανάλυσης. Η αρχή της μεθόδου περιλαμβάνει τη μέτρηση της απορροφημένης ακτινοβολίας από άτομα στη θεμελιώδη κατάσταση για το στοιχείο που εξετάζουμε. Σχήμα 2.5: Διάταξη φασματοσκοπίας ατομικής απορρόφησης με φλόγα Η ακτινοβολία που εκπέμπεται από μια λυχνία είναι η ακτινοβολία που απαιτείται για να ιονίσει τα άτομα που παράγονται στο καυστήρα (ατομοποίηση). Τα άτομα απορροφούν την ακτινοβολία που απαιτείται για τη μετάπτωση από μία θεμελιώδη κατάσταση σε μία διεγερμένη. Η απορρόφηση είναι ανάλογη της συγκέντρωσης των ατόμων του προς ανίχνευση στοιχείου και ακολουθεί το νόμο του Lambert-Beer. log Po logt b c P (2.3) Όπου : Α είναι η απορρόφηση της ακτινοβολίας από το δείγμα Po είναι η ισχύς της εξερχόμενης ακτινοβολίας Τ είναι η διαπερατότητα b είναι η απόσταση που διανύει η δέσμη της ακτινοβολίας ε μοριακή απορροφητικότητα c συγκέντρωση Η διαδικασία της χημικής ανάλυσης με ατομική απορρόφηση φλόγας είναι η ακόλουθη: Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 35

37 Εφαρμόζοντας τάση στη λυχνία, ιονίζεται το αέριο που υπάρχει στο εσωτερικό της. Τα κατιόντα του αερίου κατευθύνονται προς την κάθοδο της λυχνίας όπου συγκρούονται με τα άτομα του προς ανίχνευση στοιχείου. Tα άτομα από την κάθοδο απομακρύνονται ιονισμένα και τελικά εκπέμπουν ακτινοβολία (μήκους κύματος από ορατό έως υπεριώδες) η οποία είναι χαρακτηριστική για το στοιχείο που ανιχνεύουμε που στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι ο Fe. 33 Το δείγμα αναρροφάται και περνάει στον θάλαμο καύσης μαζί με το καύσιμο και το οξειδωτικό μέσο. Aφού θερμανθεί το διάλυμα και αρχίσει να βράζει, το υγρό στοιχείο εξατμίζεται και το στερεό υπόλειμμα που απομένει διασπάται σε άτομα στη φλόγα. Δηλαδή η φλόγα χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό του δείγματος και της δημιουργίας οπτικής επαφής μεταξύ πηγής ακτινοβολίας και των στοιχείων προς μέτρηση. 34 Κάποια ποσότητα φωτός απορροφάται από το Fe ενώ η υπόλοιπη περνάει στον φωτοανιχνευτή ο οποίος μετράει την απορροφούμενη ακτινοβολία. Στη συγκεκριμένη εργασία, σε ένα ποτήρι ζέσεως αναμειγνύεται ζυγισμένη σκόνη από το κάθε δείγμα 1-2mg σε 1mL HCl συγκέντρωσης 6Ν. Στη συνέχεια το διάλυμα θερμαίνεται, αρχίζει να βράζει μέχρι να πραγματοποιηθεί η διαλυτοποίηση της σκόνης. Tέλος το διάλυμα μετράται στην ατομική απορρόφηση και υπολογίζεται το ολικό ποσοστό σιδήρου στο κάθε δείγμα. Τα ποσοστά Fe3O4/Fe3S4 ή Fe για τα δείγματα Fe3O4 και Fe3S4 αντίστοιχα φαίνονται στους Πίνακες 2.3 και 2.4 αντίστοιχα. Στα δείγματα μαγνητίτη το αναμενόμενο ποσοστό σιδήρου θα έπρεπε να είναι περίπου 7% ενώ στα δείγματα γκρεΐγκίτη 6%. Ωστόσο οι τιμές που προέκυψαν είναι αρκετά μικρότερες από αυτά τα ποσοστά. Αυτό ίσως να οφείλεται στην ύπαρξη μη μαγνητικού υλικού στο τέλος της διαδικασίας της σύνθεσης. Τα υπολείμματα αυτά πιθανόν να αντιστοιχούν σε υγρασία, άλατα, ιόντα που προσκολλώνται στην επιφάνεια αλλά και σε οργανικές ενώσεις στην περίπτωση των δειγμάτων που αποτελούνται από επιφανειοδραστικές ουσίες. Ειδικά τα δείγματα γκρεϊγκίτη εμφανίζουν ακόμη χαμηλότερα ποσοστά σιδήρου και αυτό γιατί σε αυτά δεν πραγματοποιήθηκε πλύση με αποτέλεσμα να έχει συσσωρευθεί μεγαλύτερο ποσοστό μη μαγνητικού υλικού. Στόχος αυτής της χημικής ανάλυσης είναι να ληφθούν υπόψη τα ποσοστά μαγνητίτη ή σιδήρου στον υπολογισμό της θερμικής απόδοσης των νανοσωματιδίων (SLP/gFe ή gfe3o4) και να λάβουμε πιο ακριβείς τιμές θερμικών αποδόσεων. Παρόμοιες μεθόδους χημικής ανάλυσης πραγματοποιήθηκαν και σε άλλες αναφορές με τη διαφορά ότι εκεί υπολόγιζαν εκτός από το ολικό ποσοστό σιδήρου και το ποσοστό Fe 2+. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα ότι μπορούσαν να υπολογίσουν με αυτό τον τρόπο και το ποσοστό Fe 3+ και έτσι να προσδιορίσουν με πιο μεγάλη ακρίβεια αν οξειδώθηκε το δείγμα Διπλωματική Εργασία

38 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ Πίνακας 2.3:Τo πoσοστό Fe3O4 ή αντίστοιχα το ποσοστό Fe που μετρήθηκε μέσω της χημικής ανάλυσης στο δείγμα μαγνητίτη Δείγματα M12 M14 M15 M16 M17 M18 Ποσοστό Fe3O4 (%) Ποσοστό Fe (%) Πίνακας 2.4: Τo πoσοστό Fe3S4 ή αντίστοιχα το ποσοστό Fe που μετρήθηκε μέσω της χημικής ανάλυσης στο δείγμα γκρεϊγκίτη Δείγματα FS2 FS3 FS4 FS5 2.4 Ποσοστό Fe3S4 (%) Ποσοστό Fe (%) Δομικός χαρακτηρισμός Η ανάλυση των δομικών χαρακτηριστικών των νανοσωματιδίων πραγματοποιείται μέσω της τεχνικής της περίθλασης ακτίνων-χ. Η περίθλαση ακτίνων-χ (x-ray diffraction, XRD) είναι από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνικές σε πολλούς κλάδους της επιστήμης και της τεχνολογίας, για τον προσδιορισμό διαφόρων φυσικοχημικών παραμέτρων των υλικών. Κατά τη διάρκεια του πειράματος μετράται η ένταση της σκεδαζόµενης δέσµης ακτίνων-χ συναρτήσει της γωνίας 2θ (άθροισμα προσπίπτουσας και ανακλώμενης γωνίας). Σχήμα 2.6: Αρχή λειτουργίας περίθλασης ακτίνων Χ. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 37

39 Με τη συγκεκριμένη τεχνική είναι δυνατή η πλήρης ταυτοποίηση της δομής της κύριας και των δευτερευόντων φάσεων. Δηλαδή έγινε ταυτοποίηση των φάσεων των ενώσεων που υπάρχουν στα δείγματα νανοσωματιδίων μαγνητίτη και γκρεϊγκίτη συγκρίνοντας τα υπάρχοντα ακτινογραφήματα των δειγμάτων με τα ακτινογραφήματα αναφοράς από το πρόγραμμα Jade6.. Στη συνέχεια από τις κύριες ανακλάσεις των ακτινογραφημάτων εφαρμόζοντας την καμπύλη βέλτιστης προσαρμογής (fitting)κατά Lorentz υπολογίζεται η διάμετρος των κρυσταλλιτών μέσω της γνωστής σχέσης Scherrer: K D (2.1) b cos Κ είναι ο παράγοντας διόρθωσης σχήματος όπου για τα οξείδια λαμβάνεται περίπου. 9 λ, είναι το μήκος κύματος των ακτίνων- Χ (για πηγή Cu είναι ίσο με 1.54 Å) b, το εύρος της κορυφής στο μέσο της κύριας ανάκλασης ( FWHM)σε ακτίνια cosθ, το συνημίτονο της γωνίας στην οποία εμφανίζεται η κορυφή της κύριας ανάκλασης Στα παρακάτω Σχήματα φαίνονται τα ακτινογραφήματα (XRD) των δειγμάτων μαγνητίτη (Μ12, Μ14, Μ15) και των δειγμάτων μαγνητίτη με επικάλυψη κιτρικού οξέος (Μ16), CTAB (Μ17) και δεξτράνης (Μ18) που έχουν παρασκευαστεί με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης. Τα διαγράμματα αυτά παρουσιάζουν πολλαπλές κορυφές που αντιστοιχούν σε ανακλάσεις. Δηλαδή δείχνουν την εξάρτηση της ανακλώμενης ακτινοβολίας συναρτήσει της γωνίας 2θ. Αρχικά γίνεται η ταυτοποίηση των κορυφών και στη συνέχεια υπολογίζεται το μέγεθος των κρυσταλλιτών μέσω της κύριας ανάκλασης από την εξίσωση Scherrer. 38 Διπλωματική Εργασία

40 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 1 M12 Fe O # D=7,41nm (cps) 8 6 (311) 4 2 (44) (22) (511) (4) o 2 ( ) 1 (311) M14 Fe3O4# Na2SO4# (cps) D=7,69nm 6 (22) (311) (44) 4 (22) 2 (4) (22) (131) (222) 2 (511) (4) (351) (422) (62) (333) (313) 4 6 o 2θ( ) 1 M15 Fe3O4# D=6.6nm 8 (cps) (311) 6 (44) 4 (22) 2 (511) (4) o 2θ( ) Σχήμα 2.7: Διαγράμματα περίθλασης ακτίνων-χ των δειγμάτων μαγνητίτη (Μ12, Μ14, Μ15) και η αντίστοιχη ταυτοποίηση τους. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 39

41 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 1 (311) M16 Fe3O4# (cps) D=7.69nm 6 (44) 4 (22) (4) 2 (511) (422) θ 1 M17 Fe3O4# D=7.61nm 8 cps) (311) 6 4 (44) (22) (511) (4) 2 2 (422) 4 6 o 2 ( ) 1 (311) M18 Fe3O4# D=11.84nm (cps) (44) (22) (4) 2 2 (511) (422) 4 6 o 2θ( ) Σχήμα 2.8: Διαγράμματα περίθλασης ακτίνων-χ των δειγμάτων μαγνητίτη με επικάλυψη κιτρικού οξέος (Μ16), με επικάλυψη CTAB (M17) και με επικάλυψη δεξτράνης (Μ18)και η αντίστοιχη ταυτοποίηση τους. 4 Διπλωματική Εργασία

42 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ Στα διαγράμματα περίθλασης ακτίνων-χ των Σχημάτων παρατηρούμε ότι όλες οι ανακλάσεις αντιστοιχούν στην κυβική φάση του μαγνητίτη (με σταθερά πλέγματος α=8.39å) με κύρια κορυφή (311), με βάση την καρτέλα PDF ( Power Diffraction Files)# Οι υπόλοιπες κορυφές αντιστοιχούν στις δευτερεύουσες ανακλάσεις (22), (4), (422), (511), (44) της ίδιας φάσης. Τα πρότυπα περίθλασης των δειγμάτων μαγνητίτη με και χωρίς επικαλύψεις εμφανίζουν καλά καθορισμένες κορυφές οι οποίες ανήκουν στην κυβική δομή σπινελίου αποδεικνύοντας ότι τα δείγματα είναι μονοφασικά. Στο δείγμα αναφοράς (Μ14) παρατηρούνται και κάποιες δευτερεύουσες κορυφές οι οποίες αντιστοιχούν στο θειικό νάτριο με ανακλάσεις (22), (131), (4), (311), (22), (222), (351), (62), (313), (333) με βάση την καρτέλα PDF# Αυτές οι κορυφές οφείλονται σε διάφορα υπολείμματα αλάτων που υπεισέρχονται κατά τη διαδικασία της σύνθεσης και δεν ήταν εφικτό να απομακρυνθούν μετά τις πλύσεις. Αυτά τα άλατα δεν επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητες του δείγματος. Η οξύτητα των κορυφών που υποδεικνύει την καλή κρυσταλλικότητα τους και οι πολύ ευρείες κορυφές τους αποδεικνύουν το υπέρλεπτο και μικρό μέγεθος κρυσταλλιτών των σωματιδίων όπως προκύπτει και από τη βιβλιογραφία.36 Από την εξίσωση (2.1) υπολογίζεται το μέσο μέγεθος των κρυσταλλιτών και προκύπτει ότι όσο μεγαλύτερο είναι το εύρος των κορυφών τόσο μικρότερο είναι το μέγεθος των κρυσταλλιτών. Αυτό επιβεβαιώνεται και στα παραπάνω δείγματα όπου το δείγμα Μ18 παρουσιάζει μεγαλύτερη διάμετρο κρυσταλλιτών (D=11.84 nm) σε σχέση με τα άλλα δείγματα. Αυτό συμβαίνει γιατί οι κορυφές του είναι πιο οξείες και το εύρος της κύριας κορυφής είναι μικρότερο σχετικά με το εύρος των κύριων κορυφών των άλλων δειγμάτων. Στο Πίνακα 2.5 συνοψίζεται το μέσο μέγεθος των κρυσταλλιτών για το σύνολο των δειγμάτων μαγνητίτη. Πίνακας 2.5: Μέσο μέγεθος κρυσταλλιτών μαγνητίτη από πειραματικά αποτελέσματα περίθλασης ακτίνων-χ σύμφωνα με την εξίσωση Debye-Scherrer. Μέσο μέγεθος Δείγματα κρυσταλλιτών (nm) M M M M M M Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 41

43 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα ακτινογραφήματα του δείγματος της καθαρής φάσης του γκρεϊγκίτη καθώς και των δειγμάτων γκρεϊγκίτη με τα επιφανειοδραστικά (κιτρικό οξύ, CTAB, δεξτράνη) (211) FS2 Fe S # Na SO # (311) 2 (31) 1 Ένταση(cps) Ένταση(cps) FS3 (44) 8 (12) (111) (22) (311) 6 Fe3S4# (44) C2H3O2Na#28-13 (4) (4) (222) (511) 1 (2) 4 (222) (511) (62) ο 6 7 2θ( ) FS4 Fe3S4# Ένταση(cps) (311) 1 (111) 8 (12) (31) (2) (4) 6 4 FS5 Fe3S4# Na2SO4# (211) 12 Ένταση(cps) 5 ο 2θ( ) 1 (44) 8 (4) 6 4 (44) Na2SO4# (311) (22) (211) (511) (31) (12) (111) (2) ο 2θ( ) ο 2θ( ) Σχήμα 2.9:Διαγράμματα περίθλασης ακτίνων-χ των δειγμάτων γκρεϊγκίτη χωρίς κάποιο είδος επικάλυψης (FS2) αλλά και με επικάλυψη κιτρικού οξέος (FS3), με επικάλυψη CTAB (FS4) και με επικάλυψη δεξτράνης (FS5)και η αντίστοιχη ταυτοποίηση τους. Στο σχήμα 2.9 από την οξύτητα και το πλήθος των κορυφών διαφαίνεται η καλή κρυσταλλικότητα των δειγμάτων. Στο διάγραμμα περίθλασης ακτίνων-χ που αντιστοιχεί στο δείγμα γκρεϊγκίτη (FS2) παρατηρούμε ότι οι ανακλάσεις αντιστοιχούν στην κυβική φάση του γκρεϊγκίτη που έχει τη δομή σπινελίου με κύρια κορυφή την (311) και τις δευτερεύουσες κορυφές (22), (4), (511), (44), (62) με βάση την καρτέλα PDF# Αντίστοιχο διάγραμμα περίθλασης νανοσωματιδίων γκρεϊγκίτη που παρασκευάστηκαν με ανάλογη μέθοδο σύνθεσης, προέκυψε και στη βιβλιογραφία όπως περιέγραψε ο Υο-S. Chang.22 Όπως υποστηρίζει και ο Y.S.Chang η δομή του γκρεϊγκίτη δεν παρατηρείται αμέσως κατά τη διάρκεια της συγκαταβύθισης των ιόντων Fe2+και S2-αλλά μόνο σε συνθήκες οξειδοαναγωγής και αυξημένης 42 Διπλωματική Εργασία

44 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ θερμοκρασίας διαλύματος. Οι υπόλοιπες ανακλάσεις αντιστοιχούν στο θειικό νάτριο (111), (12), (211), (31), (2), (222) με βάση την καρτέλα PDF# Οι κορυφές αυτές αντιστοιχούν σε άλατα που απομένουν στο δείγμα ως παραπροϊόντα μετά το τέλος της σύνθεσης. Αυτό ίσως να οφείλεται στη μη πλύση των δειγμάτων καθώς τα νανοσωματίδια γκρεΐγκίτη είναι πιο επιρρεπή στην οξείδωση και όπως είναι γνωστό και από τη βιβλιογραφία τα νανοσωματίδια γκρεϊγκίτη είναι υδροφοβικά.23υπάρχουν όμως και ανακλάσεις που αντιστοιχούν σε διάφορα παραπροϊόντα αντίδρασης όπως άλατα αλλά και σε οργανικά υπολείμματα στα οποία δεν ήταν δυνατή η ακριβής ταυτοποίησή τους. Η υψηλή περιεκτικότητα παραπροϊόντων οφείλεται στη μη πλύση, όπως προαναφέραμε. Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία με παραπάνω, από τα εύρη των κύριων κορυφών που αντιστοιχίζουν στη φάση του γκρεϊγκίτη υπολογίζουμε τα μεγέθη των κρυσταλλιτών όπως φαίνονται στον παρακάτω Πίνακα 2.6. Πίνακας 2.6: Μέσο μέγεθος κρυσταλλιτών γκρεϊγκίτη από πειραματικά αποτελέσματα περίθλασης ακτίνων-χ σύμφωνα με την εξίσωση Debye-Scherrer. Δείγματα Μέσο μέγεθος κρυσταλλιτών (nm) FS2 23 FS FS FS Παρατηρούμε ότι το δείγμα FS4 (επικάλυψη CTAB) εμφανίζει μεγαλύτερο μέσο μέγεθος κρυσταλλιτών από ότι τα άλλα δείγματα. Αυτό ήταν αναμενόμενο γιατί το εύρος της κύριας κορυφής έχει μικρότερο εύρος από ότι οι κύριες κορυφές των άλλων δειγμάτων. Η ακρίβεια υπολογισμού των μεγεθών καθορίζεται από τη θέση της κύριας κορυφής (δηλαδή σε ποια γωνία αντιστοιχεί) και το εύρος της (οξύτητα), καθώς η προσεγγιστική μέτρηση των μεγεθών αυτών (b, θ) μπορεί να οδηγήσει σε λανθασμένα αποτελέσματα μέσω της εξίσωσης Scherrer. Στην περίπτωση των παραπάνω δειγμάτων δεν μπορούσε να γίνει με απόλυτη ακρίβεια το fitting της κύριας ανάκλασης σε μερικά δείγματα λόγω του μη ομοιόμορφου υποβάθρου ώστε η τιμή του εύρους να παρουσιάζει μια μικρή απόκλιση από την πραγματική τιμή. 2.5 Μορφολογικός χαρακτηρισμός Σε όλα τα δείγματα που παρασκευάστηκαν χρησιμοποιήθηκε τεχνική ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διερχόμενης δέσμης (ΤΕΜ). Η τεχνική αυτή έχει ως στόχο να μας αποδώσει μια ολοκληρωμένη εικόνα για τον μορφολογικό και δομικό τους χαρακτηρισμό και κατ επέκταση της Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 43

45 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ εύρεσης του μέσου μεγέθους των νανοσωματιδίων καθώς και να επιβεβαιώσει τα αποτελέσματα από τον δομικό χαρακτηρισμό των νανοσωματιδίων μέσω της περίθλασης ακτίνων-χ. To ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διερχόμενης δέσμης (ΤΕΜ) είναι το βασικό εργαλείο της σύγχρονης επιστήμης με το οποίο μπορεί κανείς να παρατηρήσει την εικόνα του δείγματος και να μελετήσει τη δομή και τις ατέλειες της δομής σε μεσοσκοπική και μικροσκοπική κλίμακα. Σε ένα κρυσταλλικό υλικό μικρού πάχους προσπίπτει δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας 1ΚeV1ΜeV. Ένα μέρος των ηλεκτρονίων της προσπίπτουσας δέσμης υφίσταται ελαστική σκέδαση από τους θετικούς πυρήνες των ατόμων του υλικού και εξέρχεται από την κάτω επιφάνεια του δείγματος ως περιθλώμενη δέσμη ηλεκτρονίων ικανοποιώντας το νόμο του Bragg (nλ=2dsinθ). Η διερχόμενη μαζί με τις περιθλώμενες συμβάλλουν στη λήψη εικόνων του ΤΕΜ. Σχήμα 2.1: Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο JEOL 1CX του εργαστηρίου ηλεκτρονικής μικροσκοπίας Τα βασικά στοιχεία ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου είναι τρία: το σύστημα φωτισμού, ο αντικειμενικός φακός και το σύστημα μεγέθυνσης. Tο σύστημα φωτισμού αποτελείται από την πηγή των ηλεκτρονίων και τους συμπυκνωτές φακούς που χρησιμοποιούνται για την εστίαση της δέσμης επάνω στο δείγμα. O αντικειμενικός φακός είναι o βασικός φακός του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου και σχηµατίζει το είδωλο του δείγματος με μεγέθυνση (από 5x-1x). Τέλος το σύστημα μεγέθυνσης περιλαμβάνει τρείς φακούς και συνεισφέρει στην τελική μεγέθυνση του δείγματος.37 Οι εικόνες μικροσκοπίας που ελήφθησαν από το ΤΕΜ μπορούν να μας δώσουν πληροφορίες για τη μορφολογία των νανοσωματιδίων, το μέγεθος και τη μέση κατανομή του μεγέθους τους. Στη συνέχεια τα μεγέθη αυτά συγκρίνονται με τα αντίστοιχα μεγέθη των κρυσταλλιτών από την τεχνική XRD και μπορούμε να διαπιστώσουμε αν τα νανοσωματίδια είναι μονοκρυσταλλικά ή πολυκρυσταλλικά υλικά. Επομένως μέσω των εικόνων ΤΕΜ μπορούμε να συμπεράνουμε εάν τα νανοσωματίδια που παρασκευάστηκαν είναι ομοιόμορφα όπως επίσης εάν επιτεύχθηκε καλή διασπορά νανοσωματιδίων ή δημιουργήθηκαν συσσωματώματα. 44 Διπλωματική Εργασία

46 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ Στο Σχήμα 2.11 παρουσιάζεται η εικόνα μικροσκοπίας και η εικόνα περίθλασης του δείγματος Μ14 που ελήφθησαν με την τεχνική ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (ΤΕΜ) καθώς και η μέση κατανομή μεγέθους των νανοσωματιδίων. Το δείγμα Μ14 όπως έχουμε προαναφέρει αποτελεί το δείγμα αναφοράς καθώς με βάση την αναλογία των πρόδρομων ενώσεων που χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνθεση του συγκεκριμένου δείγματος παρασκευάστηκαν και τα δείγματα μαγνητίτη με τα επιφανειοδραστικά (Μ16, Μ17, Μ18). 9 M14 D=8.8nm Αριθμός νανοσωmατιδίων (α) 5 1 (γ) (β) Διάμετρος(nm) Σχήμα 2.11:α)Εικόνα ΤΕΜ του δείγματος αναφοράς μαγνητίτη (Μ14) β)εικόνα περίθλασης πολυκρυσταλλικού δείγματος Μ14 γ) η κατανομή μεγέθους των νανοσωματιδίων. Tα νανοσωματίδια όπως φαίνονται στο σχήμα έχουν σχεδόν σφαιρικό σχήμα και κυριαρχεί μεγάλη διασπορά στην κατανομή των μεγεθών τους. Στο Σχήμα 2.12 παρουσιάζονται οι εικόνες ΤΕΜ των δειγμάτων μαγνητίτη (Μ12, Μ15). 9 M12 D=6.5nm 8 Αριθμός νανοσωματιδίων (α) Διάμετρος(nm) 9 M15 D=9nm 8 Αριθμός νανοσωματιδίων (β) Διάμετρος(nm) Σχήμα 2.12: α) Η εικόνα ΤΕΜ του δείγματος μαγνητίτη (Μ12)με την αντίστοιχη μέση κατανομή μεγέθους των νανοσωματιδίων β) Η εικόνα ΤΕΜ του δείγματος μαγνητίτη (Μ15) με την αντίστοιχη μέση κατανομή μεγέθους των νανοσωματιδίων. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 45

47 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ Παρατηρούμε ότι και σε αυτή την περίπτωση τα νανοσωματίδια έχουν σχεδόν σφαιρικό σχήμα και υπάρχει μεγάλη διασπορά στην κατανομή των μεγεθών τους. 38 Στη συνέχεια στο παρακάτω σχ.2.13 παρατίθενται οι εικόνες ΤΕΜ από τα δείγματα μαγνητίτη με επικάλυψη κιτρικού οξέος (Μ16), CTAB (M17)και δεξτράνης (Μ18). 9 M16 D=7.5nm 8 Αριθμός νανοσωματιδίων (α) Διάμετρος νανοσωματιδίων(nm) 9 M17 8 D=8.6nm Αριθμός νανοσωματιδίων (β) Διάμετρος(nm) 2 Αριθμός νανοσωματιδίων M18 D=2nm (γ) Διάμετρος(nm) Σχήμα 2.13:α) Η εικόνα ΤΕΜ του δείγματος μαγνητίτη με επικάλυψη κιτρικού οξέος (Μ16)και η αντίστοιχη μέση κατανομή μεγέθους των νανοσωματιδίων β) Η εικόνα ΤΕΜ του δείγματος μαγνητίτη με επικάλυψη CTAB (Μ17) και η αντίστοιχη μέση κατανομή μεγέθους των νανοσωματιδίων γ)η εικόνα ΤΕΜ του δείγματος μαγνητίτη με επικάλυψη δεξτράνης (Μ18)και η μέση κατανομή μεγέθους των νανοσωματιδίων. 46 Διπλωματική Εργασία

48 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ Στις εικόνες αυτές το σχήμα των νανοσωματιδίων δεν είναι ξεκάθαρο και δημιουργούνται αρκετά συσσωματώματα, πράγμα που δυσκολεύει την ξεκάθαρη μέτρηση των μεγεθών των νανοσωματιδίων και ως εκ τούτου την εξαγωγή της σωστής κατανομής των μεγεθών. Υπάρχουν μερικά νανοσωματίδια που έχουν σφαιρικό σχήμα όμως δεν μπορεί να βρεθεί με μεγάλη ακρίβεια η μέση κατανομή μεγεθών τους καθώς ήταν εφικτός ο υπολογισμός ορισμένων μόνο διαμέτρων νανοσωματιδίων. Από τις εικόνες μικροσκοπίας που παρουσιάζονται στα Σχήματα μέσω του προγράμματος Image Τool γίνεται η καταγραφή των διαμέτρων των νανοσωματιδίων και μετά γίνεται η μεταφορά τους στο Οrigin όπου πραγματοποιείται η στατιστική επεξεργασία των διαμέτρων. Στη συνέχεια εφαρμόζεται η αντίστοιχη κατανομή log-normal και υπολογίζεται η μέση διάμετρος των νανοσωματιδίων (xc). Η κατανομή αυτή περιγράφεται από μια συνάρτηση κανονικής λογαριθμικής κατανομής της μορφής : y y 1 x exp 2 ln 2 2 wx xc 2w A (2.2) Όπου : w η τυπική απόκλιση της κατανομής xc η μέση τιμή της διαμέτρου Α το εμβαδόν κάτω από την καμπύλη της κατανομής. Πίνακας 2.7: Συγκριτικός πίνακας μεταξύ μεγεθών νανοσωματιδίων από την ηλεκτρονική μικροσκοπία ΤΕΜ και μεγεθών κρυσταλλιτών από την περίθλαση ακτίνων XRD δειγμάτων μαγνητίτη. Δείγματα Μέγεθος νανοσωματιδίων (nm) TEM Μέγεθος κρυσταλλιτών (nm) XRD M M M M M M Στις εικόνες ΤΕΜ των δειγμάτων μαγνητίτη με επικαλύψεις το σχήμα τους δεν είναι ξεκάθαρο και δημιουργούνται αρκετά συσσωματώματα πράγμα που δυσκολεύει την ξεκάθαρη Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 47

49 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ μέτρηση των μεγεθών των νανοσωματιδίων και ως εκ τούτου την εξαγωγή της σωστής κατανομής των μεγεθών. Υπάρχουν μερικά νανοσωματίδια που έχουν σφαιρικό σχήμα όμως δεν μπορεί να βρεθεί με μεγάλη ακρίβεια η μέση κατανομή μεγεθών τους. Στον Πίνακα 2.7 παρατηρούμε ότι τα μεγέθη των νανοσωματιδίων όπως υπολογίστηκαν μέσω του ΤΕΜ συγκλίνουν με τις τιμές των μεγεθών των κρυσταλλιτών από το XRD για τα δείγματα μαγνητίτη (Μ12, Μ14, Μ15, Μ16, Μ17) αποδεικνύοντας ότι τα νανοσωματίδια ισοδυναμούν με μονοκρυστάλλους. Ενώ στην περίπτωση του δείγματος Μ18 η αναλογία μεταξύ του μεγέθους των νανοσωματιδίων όπως υπολογίστηκαν μέσω του ΤΕΜ και του μεγέθους των κρυσταλλιτών είναι περίπου 1:2 που υποδεικνύει ότι τα νανοσωματίδια αυτά είναι πιθανότατα πολυκρυσταλλικά υλικά. Στα δείγματα γκρεϊγκίτη, κατά τη διαδικασία σύνθεσης τους εμφανίστηκαν έντονα συσσωματώματα ώστε ελήφθησαν ενδεικτικά κάποιες εικόνες ΤΕΜ με τις κατανομές μεγέθους αλλά χωρίς να υπολογιστούν πολλά μεγέθη νανοσωματιδίων καθώς υπήρχε ανομοιογένεια και ήταν δυσδιάκριτο το σχήμα των νανοσωματιδίων για τον ακριβή υπολογισμό των διαμέτρων τους. Επομένως παρακάτω φαίνεται (Σχήμα 2.14) η εικόνα μικροσκοπίας που λήφθηκε μέσω του ΤΕΜ, η μέση κατανομή μεγέθους και η αντίστοιχη εικόνα περίθλασης του δείγματος της καθαρής φάσης του γκρεϊγκίτη (FS2). Στη συνέχεια (Σχήμα 2.15) παρατίθενται οι εικόνες ΤΕΜ για δείγματα γκρεϊγκίτη με επικάλυψη κιτρικού οξέος (FS3) και με επικάλυψη δεξτράνης (FS5) όπως επίσης και οι αντίστοιχες μέσες κατανομές μεγεθών τους. 2 Αριθμός νανοσωματιδίων FS2 D=21nm Διάμετρος νανοσωματιδίων(nm) (α) (β) (γ) Σχήμα 2.14: (α)εικόνα ΤΕΜ του δείγματος αναφοράς γκρεϊγκίτη (FS2) (β)εικόνα περίθλασης του πολυκρυσταλικού δείγματοςfs2 (γ)κατανομή μεγέθους του δείγματος FS2 48 Διπλωματική Εργασία

50 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 4 FS3 Αριθμός νανοσωματιδίων D=3.7nm Διάμετρος νανοσωματιδίων(nm) 1 FS5 D=26nm Αριθμός νανοσωματιδίων Διάμετρος νανοσωματιδίων(nm) (β) Σχήμα 2.15: a)εικόνα ΤΕΜ του δείγματος γκρεϊγκίτη με επικάλυψη κιτρικού οξέος (FS3)β) Εικόνα ΤΕΜ του δείγματος γκρεϊγκίτη με επικάλυψη δεξτράνης (FS5). Οι εικόνες ΤΕΜ των δειγμάτων γκρεϊγκίτη δείχνουν ότι τόσο στο δείγμα με την καθαρή φάση του γκρεϊγκίτη (FS2) όσο και στα δείγματα με τα επιφανειοδραστικά τα νανοσωματίδια είναι ανομοιογενή και έχουν ακαθόριστο σχήμα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μην μπορούμε να υπολογίσουμε με ακρίβεια τις διαμέτρους πολλών νανοσωματιδίων και να λάβουμε τις κατανομές των μεγεθών τους από λίγα μόνο δεδομένα. Στον παρακάτω Πίνακα 2.8 παρουσιάζονται συγκριτικά τα μεγέθη των νανοσωματιδίων από το ΤΕΜ και αντίστοιχα τα μεγέθη των κρυσταλλιτών από XRD. Παρατηρούμε ότι η αναλογία μεταξύ του μεγέθους των νανοσωματιδίων όπως υπολογίστηκαν μέσω του ΤΕΜ και του μεγέθους των κρυσταλλιτών είναι περίπου 1:1 για το δείγμα FS2 ενώ για τα δείγματα FS3 και FS5 η αναλογία μεγέθους νανοσωματιδίων προς κρυσταλλιτών είναι 1:2 περίπου που υποδεικνύει ότι τα νανοσωματίδια αυτά είναι πιθανότατα πολυκρυσταλλικά υλικά ενώ τα νανοσωματίδια του δείγματος FS2 μονοκρυσταλλικά υλικά. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 49

51 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ Πίνακας 2.8: Συγκριτικός πίνακας μεταξύ μεγεθών νανοσωματιδίων από την ηλεκτρονική μικροσκοπία ΤΕΜ και μεγεθών κρυσταλλιτών από την περίθλαση ακτίνων XRD δειγμάτων γκρεϊγκίτη. 2.6 Δείγματα Μέγεθος νανοσωματιδίων (nm) TEM Μέγεθος κρυσταλλιτών (nm) XRD FS FS FS Μαγνητικός χαρακτηρισμός Η μελέτη των μαγνητικών χαρακτηριστικών ενός δείγματος πραγματοποιείται μέσω του μαγνητόμετρου δονούμενου δείγματος του οποίου η λειτουργία βασίζεται στο νόμο του Faraday. Σύμφωνα με τον νόμο του Faraday μία ηλεκτρομαγνητική δύναμη παράγεται σε ένα πηνίο, όταν υπάρχει μεταβολή στη ροή που διέρχεται από το πηνίο. Tο δείγμα υποβάλλεται σε ημιτονοειδή κίνηση και η αντίστοιχη τάση επάγεται σε κατάλληλα τοποθετημένα πηνία. Το ηλεκτρικό σήμα εξόδου από αυτές τις τελευταίες σπείρες έχει την ίδια συχνότητα της οποίας η ένταση της είναι ανάλογη προς τη μαγνητική ροπή του δείγματος, πλάτος δόνησης και της συχνότητας ταλάντωσης. Σχήμα 2.16: Μαγνητόμετρο δονούμενου δείγματος Oxford (VSM) του Εργαστηρίου Πολυστρωματικών Υμενίων και αρχή λειτουργίας μαγνητομέτρου VSM. Το δείγμα που πρόκειται να μετρηθεί, τοποθετείται μέσα σε έναν δειγματοφορέα ο οποίος βρίσκεται στο κέντρο της περιοχής μεταξύ των πόλων ενός μαγνήτη ο οποίος παράγει ομογενές μαγνητικό πεδίο σταθερής έντασης κάθετο στην επιφάνεια των πηνίων μέτρησης. Το άλλο άκρο του δειγματοφορέα είναι συνδεδεμένο με ηλεκτρομηχανικό ταλαντωτή χαμηλών συχνοτήτων, με αποτέλεσμα το δείγμα να ταλαντώνεται κάθετα στη διεύθυνση του ομογενούς μαγνητικού 5 Διπλωματική Εργασία

52 πεδίου. 39 Η επαγόμενη τάση που εμφανίζεται στα πηνία είναι ανάλογη με μαγνητική ροπή του δείγματος, αλλά δεν εξαρτάται από την ένταση του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Η επαγόμενη τάση μετράται μέσω της χρήσης ενός ενισχυτή lock-in. Το μαγνητόμετρο αυτό μετρά τη μαγνήτιση ενός μικρού δείγματος από μαγνητικό υλικό καταγράφοντας βρόχους υστέρησης νανοσωματιδίων σε θερμοκρασία δωματίου. 4 Στη συνέχεια παρατίθεται ένας τυπικός βρόχος υστέρησης για υπερπαραμαγνητικά (SPM), και σιδηρι-ή σιδηρομαγνητικά νανοσωματίδια (FM). Μαγνήτιση κόρου Μs: είναι η μέγιστη τιμή της μαγνήτισης που παρατηρείται μόνο όταν όλες οι μαγνητικές ροπές στο υλικό είναι ευθυγραμμισμένες παράλληλα προς την κατεύθυνση ενός εξωτερικού εφαρμoζόμενου μαγνητικού πεδίου. Παραμένουσα μαγνήτιση M R: είναι η τιμή της μαγνήτισης που απομένει σε ένα μαγνητικό υλικό όταν το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο μηδενιστεί Συνεκτικό πεδίο Ηc:είναι το μαγνητικό πεδίο που εφαρμόζεται για να εξαναγκάσει τη μαγνήτιση να γίνει μηδέν. Το συνεκτικό πεδίο είναι στην πραγματικότητα μια δυναμική ιδιότητα που εξαρτάται από τη συχνότητα του χρόνου μεταβαλλόμενου εφαρμοζόμενου πεδίου. Το δυναμικό συνεκτικό πεδίο είναι η τιμή του πεδίου για την απομαγνήτιση του δείγματος σε συγκεκριμένη συχνότητα έναντι του συνεκτικού πεδίου που μετράται σε στατικές συνθήκες πεδίου. 41 Σχήμα 2.17:Θεωρητική καμπύλη μαγνήτισης συναρτήσει μαγνητικού πεδίου για υπερπαραμαγνητικά (SPM-πράσινη διακεκομένη), και σιδηρι-ή σιδηρομαγνητικά νανοσωματίδια (FM-μπλε). 42 Στα Σχήματα 2.18, 2.19 παρουσιάζονται οι βρόχοι υστέρησης και οι ελάσσονες βρόχοι (minor loops) για τα δείγματα Fe3Ο4 που μετρήθηκαν στο μαγνητομέτρο VSM σε θερμοκρασία δωματίου. Τα minor loops είναι βρόχοι υστέρησης σε χαμηλά πεδία. Δηλαδή στα minor loops το μέγιστο πεδίο που εφαρμόζεται είναι μικρότερο από αυτό που απαιτείται για να επιτευχθεί η μαγνήτιση κόρου. 41 Τα minor loops μπορούν να αξιοποιηθούν για τον υπολογισμό του SLP από τον υπολογισμό του εμβαδού επί της συχνότητας λειτουργίας της συσκευής μαγνητικής υπερθερμίας. Στη συνέχεια μπορούν να συγκριθούν με τις απώλειες ενέργειαςπου μετρούνται από τη συσκευή της μαγνητικής υπερθερμίας. Οι τιμές SLP που προκύπτουν από τους βρόχους υστέρησης είναι ενδεικτικές καθώς η συσκευή μαγνητικής υπερθερμίας λειτουργεί σε AC συνθήκες όπου το ρεύμα είναι εναλλασσόμενο ενώ η συσκευή VSM λειτουργεί σε DC συνθήκες όπου το ρεύμα είναι συνεχές και στην πρώτη περίπτωση τα νανοσωματίδια είναι σε διάλυμα ενώ στη δεύτερη περίπτωση είναι σε μορφή σκόνης. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 51

53 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 3 M Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) M12 3 mt 25 mt 2 mt , -,5,,5-3 -,4 1, -,3 -,2 -,1 Πεδίο(T),,1,2,3,4 Πεδίο(Τ) Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) M M14 3 mt 25 mt 2 mt , -,5,,5-3 -,4 1, -,3 -,2 -,1 Πεδίο(T),,1,2,3,4 Πεδίο(Τ) Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) M M15 3 mt 25 mt 2 mt , -,5, Πεδίο(T),5 1, -3 -,4 -,3 -,2 -,1,,1,2,3,4 Πεδίο(Τ) Σχήμα 2.18:Βρόχοι υστέρησης δειγμάτων μαγνητίτη (Μ12, Μ14, Μ15) σε πεδίο 1Τ και minor loops (2, 25, 3 T) σε θερμοκρασία δωματίου. 52 Διπλωματική Εργασία

54 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 6 3 M16 2 Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) M16 3mT 25mT 2mT , -,5,,5-3 -,4 1, -,3 -,2 -,1 Πεδίο(T),,1,2,3,4 Πεδίο(Τ) Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) M M17 3mT 25mT 2mT , -,5,,5-3 -,4 1, -,3 -,2 -,1,,1,2,3,4 Πεδίο(Τ) Πεδίο(T) Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) M M18 3mT 25mT 2mT , -,5,,5 1, -3 -,4 -,3 -,2 -,1 Πεδίο(T),,1,2,3,4 Πεδίο(Τ) Σχήμα 2.19:Βρόχοι υστέρησης δειγμάτων μαγνητίτη με κιτρικό οξύ (Μ16), CTAB (Μ17) δεξτράνη (Μ18) σε πεδίο 1Τ και minor loops (2, 25, 3 mt) σε θερμοκρασία δωματίου. Από τα minor loops μπορεί να υπολογιστεί το εμβαδόν της περιοχής που περικλείεται, με τη βοήθεια του προγράμματος Origin, που επιτρέπει την ολοκλήρωση της περιοχής που εσωκλείεται από τον βρόχο και η τιμή που προκύπτει αντιστοιχεί στη θερμότητα που παράγεται (Wheat H dm ). Στη συνέχεια η τιμή που υπολογίστηκε σε J/g για το κάθε πεδίο Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 53

55 πολλαπλασιάζεται με τη συχνότητα στην οποία έγινε η μέτρηση της υπερθερμίας (765kHz) για να καταλήξουμε σε μια εκτίμηση των απωλειών ενέργειας(watt/g). Στο Σχήμα 2.18 παρουσιάζονται οι βρόχοι υστέρησης των δειγμάτων μαγνητίτη χωρίς κάποιο είδος επικάλυψης, που καταγράφηκαν μέσω του VSM σε θερμοκρασία δωματίου και σε πεδίο 1 Τesla. Παρατηρούμε ότι τα δείγματα εμφανίζουν κόρο και συνεκτικό πεδίο το οποίο είναι σχετικά μικρό. Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η μαγνητική απόκριση των νανοσωματιδίων μπορεί να θεωρηθεί σιδηριμαγνητική όπως είναι γνωστό και από τη βιβλιογραφία. 11 Τα σιδηριμαγνητικά υλικά είναι μια ειδική κατηγορία υλικών όπου υπάρχουν μαγνητικές ροπές σε δύο αντιπαράλληλα υποπλέγματα οδηγώντας σε διαφορετικές μαγνητίσεις. Επιπλέον τα σιδηριμαγνητικά υλικά όπως και τα σιδηρομαγνητικά εμφανίζουν μη μηδενική μαγνήτιση σε μηδενικό εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Σε σιδηριμαγνητικά υλικά τα οποία διαθέτουν ισχυρές θετικές αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής, υπάρχει μια (αυθόρμητη) ευθυγράμμιση των ατομικών μαγνητικών ροπών που είναι αντιπαράλληλες με τις γειτονικές ροπές κάτω από την αντισιδηρομαγνητική κρίσιμη θερμοκρασία TN. 39 Το δείγμα μαγνητίτη που παρουσιάζει μεγαλύτερη μαγνήτιση είναι το δείγμα Μ14 με Ms=56.6 emu/g το οποίο διαφέρει από τη μαγνήτιση του bulk μαγνητίτη Ms=92 emu/g. 43 H διαφορά αυτή ίσως να οφείλεται στο μικρό τους μέγεθος ή σε οξείδωση ενός μέρους του μαγνητίτη κατά τη διαδικασία της σύνθεσης, ή λόγω κάποιων αλάτων ή κάποιων άλλων παραπροϊόντων της αντίδρασης που παρατηρούνται στην ποσότητα της σκόνης που μετράται. Στο Σχήμα 2.19 παρουσιάζονται οι βρόχοι υστέρησης των δειγμάτων μαγνητίτη με επικαλύψεις (κιτρικό οξύ, δεξτράνη, CTAB) σε θερμοκρασία δωματίου και σε πεδίο 1 Τesla. Παρατηρούμε ότι και σε αυτή την περίπτωση τα δείγματα εμφανίζουν κόρο και συνεκτικό πεδίο το οποίο είναι σχετικά μικρό. Από αυτά τα δείγματα το δείγμα που εμφανίζει μεγαλύτερη μαγνήτιση είναι το δείγμα με επικάλυψη κιτρικού οξέος (Μ16) με μαγνήτιση κόρου 61.1emu/g και τα άλλα δείγματα με επικάλυψη δεξτράνης (M18) και CTAB (M17) εμφανίζουν μικρότερη μαγνήτιση κόρου (49.9, 5.9 αντίστοιχα), από το δείγμα μαγνητίτη χωρίς την επικάλυψη (Μ14). Αυτή η μείωση στη μαγνήτιση ίσως να οφείλεται στη μείωση της μαγνητικής ανισοτροπίας όπου η συνεισφορά της ανισοτροπίας λόγω των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σωματιδίων καταστέλλεται μέσω της επικάλυψης όπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία σε ανάλογα επικαλυπτόμενα νανοσωματίδια με δεξτράνη. 44 H επικάλυψη οδηγεί στην ύπαρξη μη παράλληλα προσανατολισμένων spin στην επιφάνεια των σωματιδίων δημιουργώντας στρώματα (frustrated layers) που αντιτίθενται στη μαγνήτιση. 26 Στην περίπτωση που η επικάλυψη οδηγεί στη αύξηση της μαγνήτισης αυτό σημαίνει ότι σχηματίζονται ισχυροί δεσμοί 54 Διπλωματική Εργασία

56 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ ατόμων στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων μειώνοντας τη διαταραχή των spin στην επιφάνεια των σωματιδίων (spin canting) και αυξάνοντας έτσι τη μαγνήτιση κόρου.45,46 Παρ όλα αυτά, αυτές οι μαγνητίσεις κόρου είναι μικρότερες από την τιμή του bulk μαγνητίτη (92emu/g) και αυτό σχετίζεται και με επιφανειακά φαινόμενα όπως η οξείδωση του μαγνητίτη σε μαγκεμίτη (γfe2o3).46,47 Eκτός από τους βρόχους υστέρησης 1 Τesla καταγράφηκαν και οι βρόχοι στα 2, 25 και 3 mτ από το εμβαδόν των οποίων μπορούν να καταγραφούν οι απώλειες ενέργειας από την υστέρηση για κάθε δείγμα (Πίνακας 2.9). Αυτές οι απώλειες ενέργειας μπορούν στο τέλος να συγκριθούν με τις απώλειες ενέργειας SLP που θα προκύψουν από τη μαγνητική υπερθερμία στα αντίστοιχα πεδία. Πίνακας 2.9: Μαγνητικά χαρακτηριστικά δειγμάτων μαγνητίτη Δείγματα Μαγνήτιση κόρου (emu/g) Παραμένουσα μαγνήτιση (emu/g) Συνεκτικό πεδίο (Oe) Απώλειες υστέρησης (W/g) 2 mt 25 mt 3 mt Μ Μ Μ Μ Μ Μ Εκτός από το μαγνητόμετρο VSM υπάρχει και τo μαγνητόμετρο SQUID το οποίο έχει πολύ μεγάλη διακριτική ικανότητα δηλαδή είναι ένα πολύ ευαίσθητο μαγνητόμετρο και χρησιμοποιείται για τη μέτρηση εξαιρετικά μικρών μαγνητικών πεδίων όπως επίσης και για μετρήσεις σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (1Κ). Σε μαγνητόμετρο SQUID (University DuisburgEssen, Σχήμα 2.2) μας δόθηκε η δυνατότητα καταγραφής καμπύλων μαγνήτισης συναρτήσει της θερμοκρασίας που αντιστοιχούν σε μετρήσεις ψύξης απουσία πεδίου (ZFC:Zero Field Cooling) και υπό πεδίο (FC:Field Cooling) όλων των παραπάνω δειγμάτων. Στην πρώτη περίπτωση το δείγµα ψύχεται απουσία µαγνητικού πεδίου και στη συνέχεια εμφανίζεται στιγµιαία µέγιστη τιµή. Ένα σημαντικό μέγεθος το οποίο μπορεί να υπολογιστεί από αυτές τις καμπύλες είναι η θερµοκρασία µετάβασης (ΤB:Blocking Temperature)από την υπερπαραμαγνητική στη σιδηρομαγνητική συμπεριφορά. Κάτω από τη θερμοκρασία μπλοκαρίσματος η θερμική ενέργεια δεν είναι αρκετά μεγάλη ώστε να στρέψει τις μαγνητικές ροπές με αποτέλεσμα να παγιώνονται σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις και να έχουμε την εμφάνιση σιδηριμαγνητικής συμπεριφοράς. Θεωρείται δηλαδή το ελάχιστο όριο της υπερπαραμαγνητικής συμπεριφοράς.2 Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 55

57 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ Σχήμα 2.2:Μαγνητόμετρο SQUID Στη θερμοκρασία αυτή παρατηρείται µια απότοµη αύξηση της µαγνήτισης και εµφάνιση ενός µεγίστου σημείου πριν ελαττωθεί οδεύοντας σε χαµηλότερες θερµοκρασίες, στην περίπτωση ZFC. Αντίθετα σε µετρήσεις FC µετά την αύξηση της µαγνήτισης η τιµή παραµένει σταθερή. 5, FC 5,5 M14 4,5 FC M16 5, 4, 3, Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) 4,5 3,5 ZFC 2,5 2, 4, ZFC 3,5 3, 2,5 1,5 2, 1, 1,5, Θερμοκρασία(K) Θερμοκρασία(K) 7 4,5 M17 FC M18 FC 4, 6 3, Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) 3,5 ZFC 2,5 2, 5 4 ZFC 3 1,5 2 1, Θερμοκρασία(K) Θερμοκρασία(K) Σχήμα 2.21:Καμπύλες FC, ZFC για τα δείγματα μαγνητίτη συναρτήσει της θερμοκρασίας Στο Σχήμα 2.21 φαίνονται τα διαγράμματα τα οποία καταγράφουν τις καμπύλες FC και ΖFC που μετρήθηκαν σε μαγνητόμετρο SQUID για τα δείγματα μαγνητίτη όπου η μαγνήτιση μεταβάλλεται συναρτήσει της θερμοκρασίας. Οι θερμοκρασίες μπλοκαρίσματος που αντιστοιχούν στο μέγιστο της καμπύλης ZFC για τα παραπάνω δείγματα μαγνητίτη είναι για το Μ14: Τb=389.4Κ,για το Μ16: Tb=17Κ, για το Μ17 :Τb=156.7Κ και για το δείγμα Μ18 είναι περίπου Τb=39Κ. Αναμένουμε ότι τα δείγματα M16, M17 σε θερμοκρασία δωματίου δείχνουν υπερπαραμαγνητική συμπεριφορά και πάνω από την ΤB οι δύο καμπύλες ΖFC και FC συμπίπτουν. 56 Διπλωματική Εργασία

58 Όμως από τη μορφή των βρόχων υστέρησης φάνηκε ότι είναι σιδηριμαγνητικά. Αυτή η διαφορά ίσως να οφείλεται στο γεγονός ότι επειδή τα δείγματα αυτά έχουν μεγάλη διασπορά μεγεθών εμφανίζονται αρκετά υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια τα οποία μειώνουν την ΤB. Αυτό οφείλεται στις μειωμένες συνεισφορές της μαγνητικής ανισοτροπίας από τις μαγνητικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων. Επίσης το γεγονός ότι στα δείγματα M14, Μ18 φαίνεται σαν να έχουν δημιουργηθεί δύο ανεπαίσθητες καμπύλες χωρίς να εμφανίζεται κάποιο μέγιστο στις καμπύλες ZFC μπορεί να οφείλεται στην ύπαρξη συσσωματωμάτων και ισχυρών διπολικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σωματιδίων. 26 Από τη βιβλιογραφία είναι γνωστό ότι αυξανομένου του μεγέθους αυξάνεται η θερμοκρασία μπλοκαρίσματος. 48 Στα παραπάνω δείγματα τα μεγέθη είναι παρόμοια μεταξύ τους εκτός από το Μ18 που είναι μεγαλύτερο (2nm) όπως εμφανίζεται στον Πίνακα 2.5. Επιπλέον το δείγμα Μ18 παρουσιάζει και μεγαλύτερες απώλειες υστέρησης από τα υπόλοιπα δείγματα όπως φαίνεται και στον Πίνακα 2.6 και αυτό εξηγεί και τη μεγάλη θερμοκρασία μπλοκαρίσματος ΤB. Στο σχήμα 2.22 παρουσιάζονται οι βρόχοι υστέρησης και τα minor loops για τα δείγματα Fe3S4 που μετρήθηκαν στο μαγνητομέτρο VSM σε θερμοκρασία δωματίου. Από τη μορφή των βρόχων υστέρησης των δειγμάτων γκρεϊγκίτη στο 1 T (αριστερή στήλη του σχήματος 2.19) μπορεί να θεωρηθεί ότι κυριαρχεί η σιδηριμαγνητική απόκριση σε όλα τα δείγματα. Παρόλο που δεν είναι ξεκάθαρη η μαγνητική δομή του γκρεϊγκίτη, κάποιες μελέτες επιβεβαιώνουν ότι ο γκρεϊγκίτης έχει σιδηριμαγνητική δομή με αντισιδηρομαγνητική σύζευξη μεταξύ των τετραεδρικών και οκταεδρικών θέσεων. Έχει επιβεβαιωθεί ότι ο γκρεϊγκίτης έχει την ίδια δομή με τον μαγνητίτη λόγω της ίδιας κρυσταλλικής δομής τους. Παρόλα αυτά η μέγιστη τιμή μαγνήτισης του γκρεϊγκίτη που έχει παρατηρηθεί μέχρι στιγμής σε πρόσφατες αναφορές είναι περίπου 67 emu/g 25 και σε παλαιότερες γύρω στους 59 emu/g 24 αλλά δεν έχει εξακριβωθεί η τιμή μαγνήτισης του bulk δείγματος γκρεϊγκίτη. Θεωρώντας ότι κυμαίνεται μεταξύ των παραπάνω τιμών είναι μικρότερη από αυτή του μαγνητίτη. Αυτό πιθανόν να οφείλεται σε αυξημένο βαθμό ομοιοπολικότητας μεταξύ του σιδήρου και του θείου σε σύγκριση με τους προσδέτες οξυγόνου ή σε μεγαλύτερη αποκατάσταση των 3d ηλεκτρονίων στον γκρεϊγκίτη. 24 Στον πίνακα 2.7 και στα συγκεντρωτικά διαγράμματα με τις μαγνητίσεις και τις απώλειες ενέργειας (3 mt) των δειγμάτων του γκρεϊγκίτη μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι οι μαγνητίσεις κόρου είναι αρκετά μικρότερες από την παραπάνω τιμή της μαγνήτισης του αντίστοιχου bulk (όγκου) υλικού. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 57

59 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 2 15 FS Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) FS2 3 mt 25 mt 2 mt , -,5,,5 1, -15 -,4 -,3 -,2 -,1 Πεδίο(T),,1,2,3,4 Πεδίο(T) 3 15 FS3 1 1 Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) FS3 3 mt 25 mt 2 mt , -,5,,5 1, -,4 -,3 -,2 -,1 Πεδίο(T),,1,2,3,4 Πεδίο(T) 2 1, FS4,5 Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) 1-1, FS4 3mT -,5-2 -1, -,5,,5 1, -1, -,4 -,3 -,2 -,1 Πεδίο(Τ),,1,2,3,4 Πεδίο(T) Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) FS FS5 3 mt 25 mt 2 mt , -,5, Πεδίο(T),5 1, -15 -,4 -,3 -,2 -,1,,1,2,3,4 Πεδίο(Τ) Σχήμα 2.22: Βρόχοι υστέρησης δειγμάτων FS2, FS3, FS5 σε πεδίο 1Τ, FS4 σε 4Τ και minor loops (2, 25, 3 mt) σε θερμοκρασία δωματίου. 58 Διπλωματική Εργασία

60 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ Η μαγνήτιση κόρου των νανοσωματιδίων γκρεϊγκίτη χωρίς κάποιο είδος επικάλυψης υπολογίστηκε και είναι ίση με 14.5emu/g τιμή όμοια που προέκυψε στη βιβλιογραφία.22 Η τιμή αυτή είναι μικρότερη από την αντίστοιχη του bulk υλικού. Αυτό μπορεί να αποδίδεται στην απόκλιση των spin στην επιφάνεια ως αποτέλεσμα του γωνιακού προσανατολισμού των μοναδιαίων διανυσμάτων μειώνοντας με αυτό τον τρόπο τη μαγνητική ανισοτροπία αλλά και στην παρουσία μη μαγνητικού υλικού.49 Όμως το δείγμα γκρεϊγκίτη που παρουσιάζει υψηλότερη μαγνήτιση και μεγαλύτερες απώλειες υστέρησης είναι το FS5 (δείγμα νανοσωματιδίων με επικάλυψη δεξτράνης). Ενώ το δείγμα με τη χαμηλότερη μαγνήτιση είναι το FS4. Αυτό μπορεί να συμβαίνει γιατί το CTAB πιθανότατα να εμφάνισε οξειδωτική δράση που συνέβαλε στη μη σωστή σύνθεση των νανοσωματιδίων οδηγώντας στη μείωση των μαγνητικών τους ιδιοτήτων. Η μαγνήτιση των δειγμάτων FS3 και FS5 είναι μεγαλύτερη από το δείγμα FS2. Αυτό ίσως να οφείλεται στο μέγεθος των σωματιδίων που για το μεν δείγμα FS2 είναι 21nm ενώ για τα FS3 και FS5 είναι 31nm και 26nm αντίστοιχα. Γιατί όπως προκύπτει και από τη βιβλιογραφία η μαγνήτιση κόρου έχει ισχυρή εξάρτηση από το μέγεθος των σωματιδίων.5 Πίνακας 2.1: Μαγνητικά χαρακτηριστικά δειγμάτων γκρεϊγκίτη Δείγματα Μαγνήτιση κόρου (emu/g) Παραμένουσα μαγνήτιση (emu/g) Συνεκτικό πεδίο (Oe) 2 mt 25 mt 3 mt FS FS FS FS5 26, Απώλειες υστέρησης (W/g) Στη συνέχεια στο Σχήμα 2.23 ακολουθούν τα διαγράμματα με τις καμπύλες ZFC και FC που ελήφθησαν μέσω του μαγνητομέτρου SQUID για τα δείγματα Fe3S4. Οι θερμοκρασίες μπλοκαρίσματος στα παραπάνω δείγματα του γκρεϊγκίτη είναι για το FS2, Τb=316.2 Κ, για το FS3, Tb=324.6 Κ, για το FS4, Τb=46.5 Κ ενώ για το δείγμα FS5 είναι Κ. Οι θερμοκρασίες αυτές όπως προαναφέραμε αντιστοιχούν στο ελάχιστο όριο της υπερπαραμαγνητικής συμπεριφοράς. Σε αυτή την περίπτωση παρατηρούμε ότι σε όλα τα δείγματα στη θερμοκρασία δωματίου κυριαρχεί η σιδηριμαγνητική συμπεριφορά όπως προκύπτει και από τους βρόχους υστέρησης στο Σχήμα Οι καμπύλες ZFC και FC στο δείγμα FS4 δεν συμπίπτουν, υποδεικνύοντας τη διατήρηση κάποιου βαθμού μαγνητικής αναστρεψιμότητας που μπορεί να οφείλεται σε μια μικρή ποσότητα υψηλής απομαγνήτισης μέσω προσμίξεων Fe1-xS αλλά υπάρχει ξεκάθαρο μέγιστο στην καμπύλη ZFC που αντιστοιχεί στην ΤB.5 Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 59

61 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ Ενώ στα δείγματα FS2, FS3, FS5 δεν υπάρχει κάποιο μέγιστο στην καμπύλη ZFC και οι δύο καμπύλες δεν ταυτίζονται καθόλου πράγμα που δείχνει την ύπαρξη ισχυρών διπολικών αλληλεπιδράσεων και συσσωματωμάτων καθώς και τη μεγάλη κατανομή μεγεθών των νανοσωματιδίων. 3 5 FS2 FS3 FC Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) 4 FC ZFC 2 ZFC Θερμοκρασία(Κ), FS5 FC 4,3 Μαγνήτιση(emu/g),4 Μαγνήτιση(emu/g) 25 5 FS4 FC,2 ZFC,1, 2 Θερμοκρασία(K) ZFC Θερμοκρασία(K) Θερμοκρασία(K) Σχήμα 2.23:Καμπύλες FC-ZFC για τα δείγματα γκρεϊγκίτη συναρτήσει της θερμοκρασίας Η μικρότερη τιμή της μαγνήτισης στα νανοσωματίδια Fe3S4 όπως επίσης και της θερμοκρασίας μπλοκαρίσματος σχέση με τα νανοσωματίδια Fe3O4 αποδίδεται σε φαινόμενα μεγέθους όπως και στη συστολή του πλέγματος και σε επιφανειακά μαγνητικά φαινόμενα που κυριαρχούν περισσότερο στα νανοσωματίδια Fe3S4.5 Αυτό ίσως να σχετίζεται με την απόσταση Fe-Fe που είναι μεγαλύτερη στο Fe3S4 λόγω μεγαλύτερης σταθεράς πλέγματος (α=9.87α) από του μαγνητίτη (α=8.43α). Επίσης το δείγμα Fe3S4 χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερη μαγνητική ανισοτροπία από ότι το δείγμα μαγνητίτη όπως προκύπτει και από τη βιβλιογραφία.5ωστόσο πρέπει να τονίσουμε ότι στην περίπτωση των δειγμάτων γκρεϊγκίτη οι επιφανειοδραστικές ουσίες (κιτρικό οξύ, δεξτράνη )οδηγούν σε υψηλότερη μαγνήτιση και μεγαλύτερες απώλειες 6 Διπλωματική Εργασία

62 ενέργειας πράγμα που σημαίνει ότι συνεισέφεραν περισσότερο στη βελτίωση των μαγνητικών ιδιοτήτων των νανοσωματιδίων Fe3S4 από ότι του μαγνητίτη. 2.7 Αξιολόγηση συνθετικής διαδικασίας μέσω φυσικών ιδιοτήτων Συμπερασματικά, μέσω της διαδικασίας της χημικής συγκαταβύθισης που είναι μια μέθοδος σύνθεσης χαμηλού κόστους και φιλική προς το περιβάλλον παρασκευάστηκαν νανοσωματιδία με αρκετά καλές ιδιότητες. Από τη βιβλιογραφία οι επικαλύψεις συμβάλλουν γενικά στην καλύτερη διασπορά των διαλυμάτων, στην εμπόδιση της οξείδωσης και στην επίτευξη κολλοειδούς σταθερότητας. Δηλαδή αποτελούν εμπόδιο ενάντια στις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων απομακρύνοντας το ένα από το άλλο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να αποφεύγονται τα συσσωματώματα τα οποία δημιουργούνται λόγω της μεγάλης αναλογίας επιφάνειας/όγκου και των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων διπόλου-διπόλου και να προκύπτουν πιο ομοιόμορφα σωματίδια. Όσον αφορά τον δομικό χαρακτηρισμό μέσω της τεχνικής XRD στα πρότυπα περίθλασης των δειγμάτων με τα επιφανειοδραστικά θα πρέπει να ταυτοποιείται η αντίστροφη δομή σπινελίου με βάση τα βασικά πρότυπα περίθλασης του μαγνητίτη και γκρεϊγκίτη αντίστοιχα. Όπως επίσης η θέση και η σχετική ένταση των κορυφών να ταιριάζουν με τα αντίστοιχα πρότυπα περίθλασης. Από τις εικόνες ΤΕΜ θα πρέπει τα νανοσωματίδια να έχουν καλή διασπορά και να είναι ομοιόμορφα. Όσον αφορά τις μαγνητικές ιδιότητες, οι επικαλύψεις μπορούν να οδηγήσουν σε μείωση της μαγνήτισης κόρου όπως επίσης και σε μείωση του συνεκτικού πεδίου και της θερμοκρασίας μπλοκαρίσματος οδηγώντας σε μείωση της μαγνητικής ανισοτροπίας όπως αναφέρεται και στη βιβλιογραφία. Αυτό ίσως να οφείλεται σε ποσοστό υπερπαραμαγνητισμού στο υλικό, στην παρουσία μη μαγνητικού στρώματος στην επιφάνεια των σωματιδίων, στην κατανομή των κατιόντων (Fe 2+,Fe 3+ ), και στον μη προσανατολισμό των spin. στην επιφάνεια των σωματιδίων. Όμως μερικές επικαλύψεις έχουν την ικανότητα να μειώσουν τη θερμοκρασία Curie πράγμα που συμβάλει στον καλύτερο έλεγχο της θερμοκρασίας του όγκου και των θερμότερων σημείων γύρω από τα σωματίδια ώστε να μειώνεται ο κίνδυνος των επιβλαβών συνεπειών στα υγιή κύτταρα. 51,52 Από το σύνολο των παραπάνω πειραματικών αποτελεσμάτων μπορούμε να αναφέρουμε ότι από την τεχνική XRD στα δείγματα του μαγνητίτη (Μ12, Μ14, Μ15) καθώς και στα δείγματα μαγνητίτη με τα επιφανειοδραστικά (κιτρικό οξύ, CTAB, δεξτράνη)ταυτοποιήθηκε η κυβική φάση του μαγνητίτη της οποίας η κύρια κορυφή αντιστοιχεί στην ανάκλαση (311). Η ταυτοποίηση και Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 61

63 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ στα δείγματα του γκρεϊγκίτη (FS2, FS3, FS4, FS5) έδειξε την ύπαρξη της κυβικής φάσης του γκρεϊγκίτη με τη διαφορά ότι στα δείγματα με τα επιφανειοδραστικά (FS3, FS4, FS5) ήταν εμφανής και η ύπαρξη κάποιων παραπροϊόντων της χημικής αντίδρασης κατά τη διάρκεια της σύνθεσης. Όσον αφορά τα νανοσωματιδία της καθαρής φάσης του μαγνητίτη και γκρεϊγκίτη από τις εικόνες περίθλασης επαληθεύεται η ταυτοποίηση τους και αποδεικνύεται ότι είναι πολυκρυσταλλικά υλικά των οποίων τα επίπεδα συμπίπτουν με τα επίπεδα των θεωρητικών καρτελών PDF του μαγνητίτη και γκρεϊγκίτη. Στο Σχήμα 2.24 παρουσιάζονται συγκριτικά τα ακτινογραφήματα των δειγμάτων μαγνητίτη. 4 XRD-Magnetite Fe O 3 4 M14 χωρίς επικάλυψη M16 κιτρικό οξύ M17 CTAB M18 δεξτράνη Ένταση(αυθαίρετες μονάδες) 35 Na SO # (311) 3 25 (22) (311) (22) (22) (4) (131) (4) (351) (422) (511) (44) ο 2θ( ) Σχήμα2.24: Διαγράμματα περίθλασης ακτίνων-χ των δειγμάτων μαγνητίτη με τις επικαλύψεις (κιτρικό οξύ, CTAB, δεξτράνη)σε σχέση με το φάσμα περίθλασης ακτίνων-χ του δείγματος αναφοράς (Μ14) Fe3S4# XRD-Greigite Na2SO4# FS2 χωρίς επικάλυψη FS3 κιτρικό οξύ FS4 CTAB FS5 δεξτράνη Ένταση(αυθαίρετες μονάδες) (211) 3 (31) 25 (12) (22) (111) (44) (311) (4) (2) (511) 2 (62) ο 2θ( ) Σχήμα2.25: Διαγράμματα περίθλασης ακτίνων-χ των δειγμάτων γκρεϊγκίτη με τις επικαλύψεις (κιτρικό οξύ, CTAB, δεξτράνη)σε σχέση με το φάσμα περίθλασης ακτίνων-χ του δείγματος αναφοράς (FS2) 62 Διπλωματική Εργασία

64 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ Σε όλα τα ακτινογραφήματα η ένταση των κορυφών είναι ανάλογη και είναι εμφανείς οι κύριες ανακλάσεις του μαγνητίτη. Από την οξύτητα των κύριων κορυφών μπορεί να διαπιστώσει κανείς ότι τα δείγματα έχουν καλή κρυσταλλικότητα με το δείγμα Μ18 (επικάλυψη δεξτράνης)να παρουσιάζει καλύτερη οξύτητα κορυφών και ως εκ τούτου και καλύτερη κρυσταλλικότητα. Στο Σχήμα 2.25 παρουσιάζονται συγκριτικά τα ακτινογραφήματα των δειγμάτων γκρεϊγκίτη. Παρατηρούμε ότι το δείγμα FS4 (επικάλυψη CTAB) αποτελείται από κορυφές οι οποίες δεν έχουν ταυτοποιηθεί και προσεγγίζει λιγότερο τη δομή της καθαρής φάσης του γκρεϊγκίτη σε σχέση με τα υπόλοιπα δείγματα. Ενώ το δείγμα FS3 (με επικάλυψη κιτρικού οξέος)φαίνεται να έχει τις λιγότερες προσμείξεις από τα άλλα δείγματα. Από τους βρόχους υστέρησης των νανοσωματιδίων είναι εμφανής η σιδηριμαγνητική συμπεριφορά των νανοσωματιδίων τόσο του μαγνητίτη όσο και του γκρεϊγκίτη (Σχήμα ). 8 κιτρικό οξύ 6 Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) χωρίς επικάλυψη χωρίς επικάλυψη δεξτράνη CTAB 4 κιτρικό οξύ δεξτράνη CTAB , Minor loops:3mt -2 -,5,,5 1, Πεδίο(T) Πεδίο(Τ) Σχήμα2.26:Συγκριτικά διαγράμματα με βρόχους υστέρησης σε πεδίο 1Tesla και minor loops σε πεδίο 3 mt για τα τέσσερα δείγματα του μαγνητίτη δεξτράνη 1 χωρίς επικάλυψη 1 CTAB δεξτράνη Μαγνήτιση(emu/g) Μαγνήτιση(emu/g) κιτρικό οξύ κιτρικό οξύ χωρίς επικάλυψη CTAB , Minor loops:3mt -,5,,5 1, -15 -,3 -,2 -,1 Πεδίο(Τ),,1,2,3 Πεδίο(Τ) Σχήμα2.27:Συγκριτικά διαγράμματα με βρόχους υστέρησης και minor loops σε πεδίο 3 mt για τα τέσσερα δείγματα του γκρεϊγκίτη Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 63

65 Το δείγμα Μ14 (μαγνητίτης) επιλέχθηκε ως δείγμα αναφοράς για την παρασκευή των δειγμάτων με τα επιφανειοδραστικά (Μ16, Μ17, Μ18) καθώς παρουσιάζει μεγαλύτερη μαγνήτιση όπως επίσης και θερμική απόδοση όπως θα αποδειχθεί παρακάτω από τα άλλα δύο δείγματα (Μ12, Μ15). Από τις επικαλύψεις το κιτρικό οξύ είναι αυτό που οδήγησε σε μεγαλύτερη μαγνήτιση κόρου σε σχέση με το δείγμα αναφοράς αλλά και με τις υπόλοιπες επικαλύψεις και η δεξτράνη είναι αυτή που συνέβαλε σε μεγαλύτερες απώλειες υστέρησης στα τρία πεδία (2, 25, 3 mt). Στα δείγματα γκρεϊγκίτη η δεξτράνη και το κιτρικό οξύ συνέβαλαν στη βελτιστοποίηση των μαγνητικών ιδιοτήτων του γκρεϊγκίτη με τη δεξτράνη να έχει εξασφαλίσει υψηλότερη μαγνήτιση και μεγαλύτερες απώλειες υστέρησης ενώ το CTAB είχε μικρότερη επίδραση στις μαγνητικές ιδιότητες του γκρεϊγκίτη. Η μείωση στη μαγνήτιση μέσω του CTAB ίσως να οφείλεται στο γεγονός ότι μάλλον το CTAB συνέβαλε στη μη σωστή σύνθεση του γκρεϊγκίτη και μπορεί να οδήγησε στην ύπαρξη μη παράλληλα προσανατολισμένων spin στην επιφάνεια των σωματιδίων δημιουργώντας στρώματα (frustrated layers) που αντιτίθενται στη μαγνήτιση. Τέλος, πρέπει να σημειώσουμε ότι δεν είναι γνωστή η αναλογία μάζας μαγνητικού υλικού και της επιφανειοδραστικής ουσίας στο κάθε δείγμα όποτε δεν μπορούμε να συγκρίνουμε με ακρίβεια τις μαγνητίσεις τους. Άλλοι παράγοντες που ίσως να επηρέασαν τις μαγνητικές ιδιότητες είναι το μέγεθος και το σχήμα των νανοσωματιδίων. 64 Διπλωματική Εργασία

66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ 3.1. ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑ: ΜΙΑ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ 3.2. ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑΣ 3.3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 3.4. ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ 3.5. ΣΥΣΧΕΤΙΣΕΙΣ-ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ Στο τρίτο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας, αρχικά θα γίνει η περιγραφή της μαγνητικής υπερθερμίας που αποτελεί μια ελπιδοφόρο, εναλλακτική μέθοδο της θεραπείας του καρκίνου καθώς και του πρωτοκόλλου μαγνητικής υπερθερμίας που εφαρμόζεται για όλες τις μετρήσεις. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν τα πειραματικά αποτελέσματα για τα δείγματα νανοσωματιδίων μαγνητίτη όπως επίσης και του γκρεϊγκίτη, με και χωρίς τη χρήση επιφανειοδραστικών και θα ακολουθήσει η αποτίμηση της θερμικής τους απόκρισης. Τέλος θα γίνει η μεταξύ τους σύγκριση και θα διαπιστωθεί πιο δείγμα νανοσωματιδίων παράγει μεγαλύτερη θερμότητα για την καταπολέμηση των καρκινικών κυττάρων υπό την επίδραση του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 65

67 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 3.1 Μαγνητική υπερθερμία : Μια εναλλακτική μέθοδος H μαγνητική υπερθερμία αποτελεί μια εναλλακτική μέθοδο θεραπείας του καρκίνου. Γενικά η μέθοδος αυτή προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας από απόσταση μέσω της εφαρμογής εξωτερικού, εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου και συνιστάται στον εντοπισμό των μαγνητικών νανοσωματιδίων σε στοχευμένες περιοχές του όγκου χωρίς να οδηγεί στην καταστροφή γειτονικών καρκινικών κυττάρων(σχήμα 3.3).53 Η εφαρμογή εναλλασσόμενου πεδίου παράγει σε αυτά θερμότητα είτε μέσω των μηχανισμών υστέρησης, εφησυχασμών Neel ή Brown είτε μέσω επαγόμενων ρευμάτων Eddy. Επειδή ως μέθοδος θεραπείας δεν είναι αρκετά αποδοτική από μόνη της, χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με τις άλλες συμβατικές μεθόδους θεραπείας όπως ραδιοθεραπεία και χημειοθεραπεία. Η έννοια της μαγνητικής υπερθερμίας παρουσιάζεται για πρώτη φορά από τον R. K. Gilchrist και συνεργάτες το Η ιδέα τους ήταν να θεραπεύσουν τα μεταστατικά λεμφικά καρκινικά κύτταρα του παχέος εντέρου με τη θερμότητα επιτρέποντας μικροσκοπικά σιδηρομαγνητικά σωματίδια να εμβολιαστούν στους λεμφαδένες αποστραγγίζοντας την πρωτογενή περιοχή του καρκίνου και στη συνέχεια, εφαρμόζοντας ένα εξωτερικό εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο να προκαλέσουν αύξηση θερμότητάς των σωματιδίων μέσω υστέρησης.54τα ευρέως γνωστά μαγνητικά νανοσωματίδια που χρησιμοποιούνται στη μαγνητική υπερθερμία είναι τα νανοσωματίδια οξειδίων σιδήρου που χρησιμοποιούνται για θεραπευτικούς σκοπούς (Σχήμα 3.1) Σχήμα 3.1:Μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων σιδήρου αξιοποιούνται σε θεραπευτικούς σκοπούς μέσω της μαγνητικής υπερθερμίας. H υπερθερμία, ουσιαστικά περιγράφει την παροδική αύξηση της θερμοκρασίας πάνω από τους 37οC σε περιοχή του καρκινικού όγκου για θεραπευτικούς σκοπούς. Αυτή η διαδικασία είναι γενικά γνωστό ότι επάγει αλλαγές της παθοφυσιολογίας του όγκου, η οποία τελικά οδηγεί στην 66 Διπλωματική Εργασία

68 καταστροφή του καρκινικού όγκου. Γενικά υπάρχουν δύο διαφορετικές έννοιες απόδοσης θερμότητας: Υπερθερμία, όπου οι θερμοκρασίες κυμαίνονται από ο C. Θερμική κατάλυση, δηλαδή απευθείας θερμικός θάνατος των καρκινικών κυττάρων με θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 5 ο C. 55 Η χρήση της υπερθερμίας βασίζεται στο γεγονός ότι οι όγκοι είναι ετερογενείς ιστοί με περιοχές που χαρακτηρίζονται από νέκρωση, χαμηλό ph και χαμηλό οξυγόνο. Όπως είναι γνωστό τα καρκινικά κύτταρα είναι περισσότερο ευπαθή από τα υγιή σε θερμοκρασιακές μεταβολές. Έτσι η θερμότητα μπορεί να τονώσει την αγγείωση και αύξηση οξυγόνωσης του ιστού, βελτιώνοντας έτσι τη συγκέντρωση και την αποτελεσματικότητα των κυτταροστατικών και κυτταροτοξικών φαρμάκων. Η μέθοδος της υπερθερμίας μπορεί να διαιρεθεί σε τρείς κατηγορίες ανάλογα με την έκταση της περιοχής του καρκινικού όγκου στην οποία εφαρμόζεται (Σχήμα 3.2): Ολική, όπου πραγματοποιείται ελεγχόμενη άνοδος της θερμοκρασίας ολόκληρου του σώματος στους 41.8 ο C με τη χρήση θερμικών θαλάμων ή καλυμμάτων εμποτισμένων με ζεστό νερό. Μερική ή περιφερειακή, που μελετάται για την αντιμετώπιση βαθιά ριζωμένου ή τοπικά προχωρημένου καρκίνου και συχνά επιτυγχάνεται μέσω τεχνικών έγχυσης ή χρήσης εξωτερικών εφαρμοστών ή κεραιών που εκπέμπουν μικροκύματα. Τοπική, όπου η περιοχή στην οποία εφαρμόζεται είναι μικρότερη από τα άκρα ή όργανα. Η τοπική άνοδος (μέχρι 45 ο C) της θερμοκρασίας οδηγεί σε ενεργοποίηση διαφορετικών μηχανισμών καταστροφής κυτταρικών ιστών. Αυτό το είδος υπερθερμίας προκαλεί τις λιγότερο σοβαρές παρενέργειες και αποτελεί το πιο συχνό είδος υπερθερμίας που βρίσκεται υπό μελέτη. Τοπική υπερθερμία μπορεί να επιτευχθεί μέσω μιας ποικιλίας προσεγγίσεων, όπως μικροκυμάτων, ραδιοσυχνοτήτων, υπερήχων και λέιζερ και πιο πρόσφατα μέσω μαγνητικών ρευστών. 56 Σχήμα 3.2:Διάφορες κατηγορίες υπερθερμίας ανάλογα με την έκταση της περιοχής του καρκινικού όγκου. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 67

69 Από διάφορες κλινικές δοκιμές έγινε αντιληπτό ότι η καταπολέμηση των καρκινικών κυττάρων επιτυγχάνεται με την εισαγωγή μαγνητικού υλικού στην περιοχή του όγκου, υπό την επίδραση ενός εξωτερικού εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. Το μαγνητικό υλικό μπορεί να είναι είτε μακροσκοπικά μαγνητικά εμφυτεύματα που χρησιμοποιούνται σε ειδικούς τύπους καρκινικού όγκου, είτε μαγνητικά νανοσωματίδια των οποίων η παραγωγή θερμότητας τους είναι μια ελκυστική προσέγγιση για την επίτευξη κύτταρο-τοπικής υπερθερμίας. Οι περισσότερες μελέτες επικεντρώνονται στα μαγνητικά νανοσωματίδια επειδή έχουν τη δυνατότητα να συσσωρεύονται σε ιστούς του καρκίνου και έχουν τη δυνατότητα να τροποποιούνται ώστε να στοχεύουν άμεσα τα καρκινικά κύτταρα μέσω του κυκλοφοριακού συστήματος. 57 Πιο συγκεκριμένα τα μαγνητικά νανοσωματίδια διανέμονται είτε συστηματικά μέσω της στόχευσης είτε μέσω άμεσης έγχυσης στον όγκο και υποβάλλονται στη συνέχεια σε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. 41 Είναι δυνατός ο τηλεχειρισμός τους και η ενεργοποίηση τους μέσω του πεδίου. Εκτός από τη δυνατότητα παραγωγής εντοπισμένης θερμότητας, τα νανοσωματίδια έχουν την ικανότητα αυτό-περιορισμού της μέγιστης θερμοκρασίας στην οποία μπορούν να φτάσουν, καθώς μεταβάλλεται η θερμοκρασία Curie λόγω των μαγνητικών υλικών που λαμβάνουν μέρος ώστε πάνω από μια συγκεκριμένη τιμή να καθίστανται παραμαγνητικά. Όμως αξίζει να σημειωθεί ότι τα κατάλληλα νανοσωματίδια για τη συγκεκριμένη εφαρμογή είναι αυτά, τα οποία με ελάχιστη ποσότητα υλικού επιτρέπουν επαρκή και ομογενή διάδοση θερμότητας υπό την επίδραση εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου, όπως επίσης και η επιφάνεια τους να είναι βιοσυμβατή. 57 Σχήμα 3.3: Αρχή της μαγνητικής υπερθερμίας απεικονίζοντας τα μαγνητικά νανοσωματίδια τα οποία στοχεύουν τον όγκο και θα θερμανθούν υπό την παρουσία εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου (ΑC). Tα καρκινικά κύτταρα είναι πιο ευαίσθητα από τα υγιή σε θερμοκρασιακές διαταραχές και αναμένεται να υποστούν σημαντικές βλάβες ως αποτέλεσμα της παρουσίας των νανοσωματιδίων στην περιοχή του όγκου. Από τη δεκαετία του 196 η μαγνητική υπερθερμία έχει αναπτυχθεί σε τέσσερις γενικές υπο-κατηγορίες που έχουν όλες κοινό στόχο, την απόθεση του σιδηρομαγνητικού υλικού εντός ή 68 Διπλωματική Εργασία

70 πλησίον του όγκου του ιστού. Στη συνέχεια γίνεται έκθεση ενός εξωτερικά εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου τέτοιο ώστε να προκαλέσει αύξηση της θερμότητας των σιδηρομαγνητικών υλικών και, ως εκ τούτου, τον περιβάλλοντα ιστό του όγκου. Η πρώτη ευρεία υπο-κατηγορία της μαγνητικής υπερθερμίας είναι αρτηριακός εμβολισμός υπερθερμίας (AEH: Arterial Embolization Hyperthermia), στην οποία η αρτηριακή παροχή ενός όγκου χρησιμοποιείται ως μονοπάτι για τη μεταφορά σιδηρομαγνητικών σωματιδίων εντός του ιστού του όγκου που ακολουθείται από έκθεση σε ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Η δεύτερη υπο-κατηγορία είναι άμεση έγχυση υπερθερμίας (DIH: Direct Injection Hyperthermia), στην οποία ο όγκος είναι άμεσα εγχυμένος με σιδηρομαγνητικά σωματίδια προτού εκτεθεί σε ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Η τρίτη υπο-κατηγορία είναι αυτή της ενδοκυτταρικής υπερθερμίας (IH: Intracellular Hyperthermia), στην οποία τα σιδηρομαγνητικά σωματίδια τροποποιούνται ώστε να διευκολύνουν την κυτταρική πρόσληψή τους από τον όγκο. Η θερμότητα που παράγεται στη συνέχεια, κατά την έκθεση σε ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο προέρχεται από το εσωτερικό του κυττάρου του όγκου, σε σύγκριση με τις ΑΕΗ και DIΗ όπου η θερμότητα προέρχεται ενδοαγγειακά και εξωκυτταρικά, αντίστοιχα. Η τέταρτη υπο-κατηγορία είναι η υπερθερμία διαμέσου εμφυτεύματος (IIH: Interstitial Implant Hyperthermia), στην οποία μακροσκοπικά σιδηρομαγνητικά σωματίδια εμφυτεύονται χειρουργικά εντός του ιστού του όγκου πριν την έκθεση σε ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Αυτή η τέταρτη υπο-κατηγορία είναι επί του παρόντος σε κλινική χρήση στη θεραπεία του προστάτη, νευρολογικών και άλλων τύπων όγκου. 54 Οι μαγνητικές απώλειες σε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο χρησιμοποιούνται για την εκμετάλλευση θερμότητας λόγω διαφορετικών μηχανισμών (Σχήμα 3.4) αναπροσανατολισμού της μαγνήτισης στο σύστημα των σωματιδίων που είναι οι εξής: 1. Μηχανισμοί απωλειών υστέρησης 2. Μηχανισμοι εφησυχασμου Νe el και Brown Εκτός από τις μαγνητικές απώλειες υπάρχουν και οι απώλειες τριβής σε παχύρρευστα εναιωρήματα. Σε σύγκριση με όλες αυτές τις απώλειες η επαγωγική θερμότητα λόγω των ρευμάτων eddy των νανοσκοπικών μαγνητικών σωματιδίων είναι αμελητέα. 57 Τα ρεύματα Eddy είναι σημαντικά μόνο σε υλικά στην κλίμακα εκατοστού ή μεγαλύτερα και, επομένως, συνεισφέρουν ελάχιστα στη μαγνητική υπερθερμία νανοσωματιδίων. 58 Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 69

71 Σχήμα 3.4: Φαινόμενα αναπροσανατολισμού μαγνήτισης για την παραγωγή θερμότητας υπό την επίδραση του μαγνητικού πεδίου: (α) Μηχανισμοί απωλειών υστέρησης για την παραγωγή θερμότητας από σιδηρομαγνητικά και σιδηριμαγνητικά νανοσωματίδια. (β) Μηχανισμοί εφησυχασμού Ν el και (γ) μηχανισμοί Brown για την παραγωγή θερμότητας από μαγνητικά νανοσωματίδια. 59 Η υστέρηση παραμένει σημαντική σε μεγαλύτερα σωματίδια και μόνο μιας περιοχής που εμφανίζουν σιδηρομαγνητικό χαρακτήρα (συνεκτικό πεδίο και παραμένουσα μαγνήτιση). Ωστόσο, τόσο το συνεκτικό πεδίο όσο και η παραμένουσα μαγνήτιση εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τον όγκο των σωματιδίων και υπάρχει ένα κρίσιμο μέγεθος νανοσωματιδίων(ανάλογα με το υλικό των σωματιδίων) κάτω από το οποίο μηδενίζονται και τα δύο χαρακτηριστικά(συνεκτικό πεδίο, παραμένουσα μαγνήτιση). Πιο συγκεκριμένα το συνεκτικό πεδίο δίνεται από την εξίσωση: 1 / 2 Ηc= V (2K / M ) 1 c για V>Vc (3.1) s V Όπου Vc είναι ο κρίσιμος όγκος των σωματιδίων κάτω από τον οποίον κυριαρχούν οι μηχανισμοί εφησυχασμού. Σε τέτοια σωματίδια η θερμότητα επιτυγχάνεται με την περιστροφή της μαγνητικής ροπής του κάθε σωματιδίου. Εάν οι συνθήκες είναι τέτοιες ώστε αυτή η περιστροφή έχει ως αποτέλεσμα την περιστροφή του ίδιου του σωματιδίου (Σχήμα 3.5), τότε το σωματίδιο έχει υποστεί Brownian εφησυχασμό και η θερμική ενέργεια παρέχεται μέσω διατμητικών τάσεων στο περιβάλλον του ρευστού. Σχήμα 3.5: Μηχανισμός Brown: Η μαγνητική ροπή παραμένει σταθερή ενώ το σωματίδιο περιστρέφεται 7 Διπλωματική Εργασία

72 Εάν, ωστόσο, τη χρονική στιγμή που περιστρέφεται η μαγνητική ροπή το ίδιο το σωματίδιο παραμένει σταθερό (Σχήμα 3.6), το τε το σωματι διο ε χει υποβληθει σε εφησυχασμο Ne el και η θερμότητα διαχέεται από την αναδιάταξη των ατομικών διπολικών ροπών εντός του κρυστάλλου. Στην πράξη, οι δύο μηχανισμοί μπορεί να συμβούν ταυτόχρονα και οι σχετικές συνεισφορές προσδιορίζονται από τη χρονική κλίμακα στην οποία εμφανίζεται ο κάθε μηχανισμός. Σχήμα 3.6: Μηχανισμός Ν el: η μαγνητική ροπή περιστρέφεται ενώ το σωματίδιο παραμένει σταθερό. Δεδομένου ότι τα σωματίδια σε ένα εναιώρημα νανοσωματιδίων είναι υπερπαραμαγνητικά το καθένα από τα οποία αποτελείται από μια ενιαία περιοχή, κάθε σωματίδιο θα διατηρήσει μια σταθερή μαγνητική ροπή. Σε περίπτωση απουσίας του πεδίου, ο προσανατολισμός της μαγνητικής ροπής θα καθοριστεί από την κρυσταλλική ανισοτροπία του σωματιδίου (ή σε ένα μη-σφαιρικό σωματίδιο με ανισοτροπία). Ωστόσο, ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο μπορεί να παρέχει αρκετή ενέργεια για να μετατοπίσει τη ροπή από τον προτιμώμενο προσανατολισμό και τον εφησυχασμό σε ισορροπία, απελευθερώνοντας θερμική ενέργεια η οποία οδηγεί σε τοπική αύξηση θερμοκρασίας. Στην περι πτωση ενο ς μηχανισμου εφησυχασμου Ne el, η σταθερά χρόνου του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου είναι αρκετά μικρή ώστε ο φυσικός προσανατολισμός του σωματιδίου παραμένει αμετάβλητος ενώ η ροπή εναλλάσσεται μεταξύ παράλληλων και αντιπαράλληλων προσανατολισμών. Ο χρόνος εφησυχασμού Ne el δίνεται από την εξίσωση : 2 kt / KV KV kt N e (3.2) Όπου Κ είναι η σταθερά ανισοτροπίας η οποία γενικά οφείλεται είτε στην κρυσταλλικότητα είτε στο σχήμα και V είναι ο όγκος των σωματιδίων. Εάν, ωστόσο, η μαγνητική ανισοτροπία του σωματιδίου είναι αρκετά ισχυρή για να ξεπεραστούν η αδρανειακή ή ιξώδης αντίσταση, ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο μπορεί να προκαλέσει το ίδιο το σωματίδιο να περιστρέφεται σε ένα ρευστό, ενώ η μαγνητική ροπή Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 71

73 παραμένει σταθερή σε σχέση με τον άξονα του κρυστάλλου. Η δράση αυτή αποτελεί τον μηχανισμό Βrown στον οποίον παράγεται θερμότητα μέσω διάτμησης στον περιβάλλοντα χώρο του ρευστού. Ο χρόνος εφησυχασμού Brown εξαρτάται έντονα από το ιξώδες του διαλύματος και το υδροδυναμικό όγκο του σωματιδίου, VH, και δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση : 3 V H (3.3) kt O μηχανισμός Brown παράγει και θερμότητα ως αποτέλεσμα των τριβών ανάμεσα στα περιστρεφόμενα σωματίδια και στο περιβάλλον μέσο. Αυτός ο τύπος απωλειών που οφείλεται στην τριβή δεν περιορίζεται μόνο στα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια. Γενικότερα, o υδροδυναμικός όγκος είναι μεγαλύτερος από τον όγκο του σωματιδίου λόγω αλληλεπίδρασης μεταξύ ρευστού και επιφανειοδραστικών. Πειραματικά, VH μπορεί να προσδιοριστεί με υδροδυναμικές μετρήσεις όπως δυναμική σκέδαση φωτός. Οι Ne el και Brown μηχανισμοί συμβαίνουν παράλληλα, και έτσι ο αποτελεσματικός χρόνος εφησυχασμού του συστήματος, τ, δίνεται από την εξίσωση : (3.4) B N O χρόνος εφησυχασμού Brown κυριαρχεί σε σωματίδια με μεγαλύτερο όγκο και χαμηλό ιξώδες διαλυμάτων ενώ ο Νe el σε μικρά σωματίδια και παχύρρευστα διαλύματα(σχήμα 3.7). 58 Σχήμα 3.7:Τυπικό διάγραμμα για χρόνους εφυσηχασμού μαγνητικών νανοσωματιδίων μαγνητίτη μιας περιοχής σε φυσιολογικές θερμοκρασίες και σε υδάτινα διαλύματα (Κ=25kj/m 3, T=31K, η= Pa s) 72 Διπλωματική Εργασία

74 Ο μηχανισμός της διάχυσης ενέργειας των νανοσωματιδίων εξαρτάται από το μέγεθος και το μαγνητικό υλικό καθώς και από τους μηχανισμούς αφηρέμισης Νe el και Brown, τον ταχύ αναπροσανατολισμό των μαγνητικών ροπών των σωματιδίων με το εφαρμοζόμενο πεδίο και τις απώλειες τριβών από τη φυσική περιστροφή των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Ο Rosensweig ανέπτυξε ένα απλό μοντέλο για το ποσοστό διάχυσης της ενέργειας (P) ανά μονάδα όγκου. 2 2 f P f 2 (3.5) 1 (2 f ) Στην παραπάνω εξίσωση μο είναι η διαπερατότητα του κενού (4π 1-7 T m Α -1 ), χ είναι η αρχική (χαμηλού πεδίου) επιδεκτικότητα των σωματιδίων, Η είναι το πλάτος μαγνητικού πεδίου, f είναι η συχνότητα μαγνητικού πεδίου σε Hz και τ είναι πραγματικός χρόνος εφησυχασμού. Αυτή η εξίσωση δείχνει ότι ο μηχανισμός για τη διάχυση ενέργειας των νανοσωματιδίων σε εφαρμοζόμενο εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο εξαρτάται από συνθήκες του μαγνητικού πεδίου (δηλαδή το πλάτος και τη συχνότητα), τις ιδιότητες και τη συγκέντρωση των σωματιδίων στον ιστό. Δηλαδή με την αύξηση του πλάτους του μαγνητικού πεδίου και της συχνότητας αυξάνεται το ποσό ενέργειας που διαχέεται από τα νανοσωματίδια. 56 Η θερμική απόδοση των νανοσωματιδίων περιγράφεται από έναν δείκτη ειδικών απωλειών ή διαφορετικά ρυθμό ειδικών απωλειών ενέργειας SLP (Specific loss power). Ο δείκτης SLP περιγράφει το ποσό της ενέργειας του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου που απορροφάται από τα σωματίδια και μετατρέπεται σε θερμότητα ανά μονάδα χρόνου και μάζας μαγνητικού υλικού. Η τιμή του SLP υπολογίζεται από την παρακάτω εξίσωση : 6 Όπου: SLP W m NP Q t m NP c s m m s NP t cs είναι η ειδική θερμότητα του δείγματος (j/g -1 K -1 ) ms είναι η μάζα του δείγματος mnp είναι η μάζα των νανοσωματιδίων στο δείγμα (g) (3.6) ΔΤ/Δt είναι η αρχική κλίση της καμπύλης της θερμοκρασίας συναρτήσει του χρόνου Η ενέργεια ανά μονάδα όγκου (P)συνδέεται με το SLP από την παρακάτω εξίσωση : P= (SLP)ρMNφMN= (SLP)wMN (3.7) Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 73

75 όπου ρmn είναι η πυκνότητα των νανοσωματιδίων, φmn είναι το κλάσμα όγκου των νανοσωματιδίων και wmn είναι η μάζα των νανοσωματιδίων ανά μονάδα όγκου. Είναι σημαντικό να ειπωθεί ότι για να εκτιμηθεί με ακρίβεια η θερμική απόδοση των νανοσωματιδίων θα πρέπει το εναιώρημα να είναι σε θερμική ισορροπία με το περιβάλλον του κατά την έναρξη του πειράματος. Διαφορετικά η ροή θερμότητας προς ή από το περιβάλλον μπορεί να επηρεάσει αρνητικά τις μετρήσεις. Επιπλέον θα πρέπει να εξασφαλιστούν οι κατάλληλες συνθήκες ώστε το δείγμα να υποβάλλεται σε ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο για να θερμαίνεται ομοιόμορφα Πρωτόκολλο Μαγνητικής υπερθερμίας Αρχικά αφού πραγματοποιηθεί η σύνθεση των νανοσωματιδίων υπό μορφής σκόνης, τοποθετείται η σκόνη σε δοχεία 1mL απεσταγμένου νερού ανάλογα με τις συγκεντρώσεις που είναι επιθυμητές για το συγκεκριμένο πείραμα δημιουργώντας κολλοειδή διαλύματα. Στην παρούσα εργασία οι συγκεντρώσεις διαλυμάτων τόσο των νανοσωματιδίων μαγνητίτη όσο και του γκρεϊγκίτη ήταν 1, 2, 4, 6, 8 mg/ml. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ομογενοποίηση των διαλυμάτων στη συσκευή υπερήχων. Ο χρόνος της διαδικασίας αυτής εξαρτάται από το πόσο εύκολα ή δύσκολα σχηματίζεται το επιθυμητό κολλοειδές διάλυμα. Αφού είναι έτοιμα τα δείγματα εισάγονται στον δειγματοφορέα της συσκευής της υπερθερμίας. Το βασικό όργανο που χρησιμοποιήθηκε για τις μετρήσεις μαγνητικής υπερθερμίας είναι το Ultrahigh Frequency Induction Heating Machine (SPG-1) Model No. SPG-1 συχνότητας 765kHz της εταιρείας Shuangping. Αυτό αποτελείται από το επαγωγικό πηνίο, οπτική ίνα, δειγματοφορέα, τροφοδοτικό μηχάνημα και από ένα σύστημα ψύξης. Άλλα επιμέρους όργανα που χρησιμοποιούνται για την καταγραφή μετρήσεων είναι δύο ηλεκτρονικά θερμόμετρα, θερμόμετρο δωματίου, και ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής. Το ένα ηλεκτρονικό θερμόμετρο συνδέεται με οπτική ίνα, η οποία μεταφέρει το σήμα στο θερμόμετρο, το οποίο αντιστοιχίζεται σε θερμοκρασία με το κατάλληλο λογισμικό πρόγραμμα ηλεκτρονικού υπολογιστή (SoftSens) συναρτήσει του χρόνου της κάθε μέτρησης. Το άλλο ηλεκτρονικό θερμόμετρο μετράει την αύξηση θερμοκρασίας του νερού ψύξης του συστήματος. Το σύνολο των διατάξεων που χρησιμοποιούνται για τις μετρήσεις υπερθερμίας δίνονται στο Σχήμα 3.8. Το πρωτόκολλο υπερθερμίας που ακολουθείται για τη λήψη των αποτελεσμάτων όλων των μετρήσεων είναι το εξής : Η αρχική θερμοκρασία από την οποία ξεκινούσαν όλες οι μετρήσεις μεταβάλλονταν ανάλογα με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Συνολικά όλες οι μετρήσεις διαρκούσαν περίπου 12 δευτερόλεπτα. Με παρουσία του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου, η θέρμανση 74 Διπλωματική Εργασία

76 διαρκούσε 6 δευτερόλεπτα και μετά ακολουθούσε η ψύξη των δειγμάτων όπου η θερμοκρασία άρχισε να μειώνεται μέχρι να φτάσει την αρχική δηλαδή να περάσουν άλλα περίπου 6 δευτερόλεπτα. Θεωρώντας ότι η θερμοκρασία του σώματος είναι 37 ο C και το κατώτερο όριο της υπερθερμίας είναι 41 ο C θα πρέπει η θερμοκρασία του δείγματος να αυξηθεί τουλάχιστον 4 βαθμούς. Άρα βασικά κριτήρια για την επιλογή των καλύτερων δειγμάτων είναι η θερμική απόδοση Δθ>4 ο C και η βέλτιστη τιμή του ρυθμού ειδικών απωλειών ενέργειας SLP (Specific Loss Power). Σχήμα 3.8: (α) τροφοδοτικό μηχάνημα εναλλασσόμενου ρεύματος, (β)πηνίο, ο δειγματοφορέας μαζί με την οπτική ίνα, (γ)σχηματική αναπαράσταση μιας τυπικής πειραματικής διάταξης (δ) ηλεκτρονικό θερμόμετρο μετράει την αύξηση θερμοκρασίας του νερού ψύξης του συστήματος (ε)ηλεκτρονικό θερμόμετρο το οποίο συνδέεται με οπτική ίνα, η οποία μεταφέρει το σήμα στο θερμόμετρο, (στ)συσκευή υπερήχων. Εκτός από τα δείγματα πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις και για τον καθαρό διαλύτη που στην παρούσα περίπτωση ήταν το απεσταγμένο νερό. Το νερό παρόλο που δεν έχει μαγνητικές ιδιότητες παρουσίαζε θερμοκρασιακή άνοδο που οφειλόταν στη θερμότητα που αποδιδόταν από το πηνίο. Έτσι στο διάλυμα προσδιδόταν επιπλέον θερμότητα. Επομένως για να είναι πιο ακριβείς οι μετρήσεις και να αποφευχθεί αυτό το εμπόδιο στον υπολογισμό του συντελεστή απωλειών ενέργειας του κάθε δείγματος γινόταν αφαίρεση του διαλύτη. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 75

77 3.3. Πειραματικά αποτελέσματα Στο πρώτο μέρος των πειραματικών αποτελεσμάτων δίνονται τα αποτελέσματα από τα δείγματα του καθαρού μαγνητίτη (Σχήμα ) και στη συνέχεια τα αποτελέσματα των δειγμάτων μαγνητίτη με τα αντίστοιχα επιφανειοδραστικά (Σχήμα κιτρικό οξύ, CTAB, δεξτράνη). Δηλαδή παρουσιάζονται οι καμπύλες υπερθερμίας των δειγμάτων μαγνητίτη στις οποίες φαίνεται η θερμοκρασιακή μεταβολή συναρτήσει του χρόνου (T (t)=a (1-e -Bt )) σε πέντε συγκεντρώσεις (1, 2, 4, 6, 8 mg/ml) στα πεδία Η=2, 25, 3 mt. Αφού ξεκινήσει η θέρμανση των δειγμάτων μέσω του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου μετά από κάποια χρονική στιγμή η κλίση της καμπύλης αρχίζει να μειώνεται όπως επίσης και ο ρυθμός θέρμανσης του δείγματος. Αυτό συμβαίνει γιατί σημειώνονται και απώλειες θερμότητας διαλύματος προς το ψυχρότερο περιβάλλον καθώς δεν επικρατεί αδιαβατική μόνωση. Η θερμοκρασία ανεξαρτήτως συγκέντρωσης διαλύματος και πεδίου αυξάνεται συνεχώς και μετά από περίπου 6sec φτάνει σε μια μέγιστη τιμή, τη στιγμή που σταματάει η εφαρμογή του πεδίου. Για παράδειγμα στο διάγραμμα (Σχήμα.3.1) που παρουσιάζονται οι καμπύλες υπερθερμίας του δείγματος μαγνητίτη (Μ14) χωρίς κάποιο είδος επικάλυψης σε πεδίο 3mT παρατηρούμε τη θερμοκρασιακή μεταβολή συναρτήσει του χρόνου σε πέντε συγκεντρώσεις (1, 2, 4, 6, 8 mg/ml). Όπως μπορεί να παρατηρήσει κανείς όλες οι καμπύλες υπερθερμίας που αντιστοιχούν στις πέντε συγκεντρώσεις υπερβαίνουν τη ζώνη υπερθερμίας (41-45 ο C) η οποία αντιστοιχεί στη γραμμοσκιασμένη περιοχή (θερμοκρασιακό εύρος καταπολέμησης των καρκινικών κυττάρων). Όσο αυξάνεται η συγκέντρωση τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασιακή διαφορά που παρουσιάζει το διάλυμα καθώς και ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας. Δηλαδή στη συγκέντρωση του διαλύματος 8mg/mL η αρχική κλίση της καμπύλης είναι μεγαλύτερη και ως εκ τούτου είναι μεγαλύτερος και ο ρυθμός με τον οποίο θερμαίνεται το δείγμα. Στη συγκέντρωση αυτή η διαφορά θερμοκρασίας φτάνει τους 48.6 ο C. 76 Διπλωματική Εργασία

78 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 9 M12 H=2 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Time(sec) 9 M12 H=25 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 M12 H=3 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) Σχήμα 3.9: Πειραματικές καμπύλες υπερθερμίας (765kHz)νανοσωματιδίων μαγνητίτη χωρίς επικάλυψη (Μ12) σε πέντε συγκεντρώσεις (1, 2, 4, 6, 8 mg/ml) σε πεδία 2, 25, 3 mt. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 77

79 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 9 M14 H=2mT 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 M14 H=25 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 M14 H=3 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2 O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) Σχήμα 3.1:Πειραματικές καμπύλες υπερθερμίας (765kHz)νανοσωματιδίων μαγνητίτη χωρίς επικάλυψη (M14) σε πέντε συγκεντρώσεις (1, 2, 4, 6, 8mg/mL) σε πεδία 2, 25, 3 mt. 78 Διπλωματική Εργασία

80 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 9 M15 H=2 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 M15 H=25 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 M15 H=3 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) Σχήμa 3.11: Πειραματικές καμπύλες υπερθερμίας (765kHz)νανοσωματιδίων μαγνητίτη χωρίς επικάλυψη (M15) σε πέντε συγκεντρώσεις (1, 2, 4, 6, 8 mg/ml) σε πεδία 2, 25, 3 mt. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 79

81 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 9 M16 H=2 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 M16 H=25 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 M16 H=3 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/ml 1mg/ml H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) Σχήμa 3.12:Πειραματικές καμπύλες υπερθερμίας (765kHz) νανοσωματιδίων μαγνητίτη με επικάλυψη κιτρικού οξέος (M16)σε πέντε συγκεντρώσεις (1, 2, 4, 6, 8 mg/ml) σε πεδία 2, 25, 3 mt. 8 Διπλωματική Εργασία

82 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 9 M17 H=2 mt 6mg/mL 8mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 M17 H=25 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 M17 H=3 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) Σχήμa 3.13: Πειραματικές καμπύλες υπερθερμίας (765kHz)νανοσωματιδίων μαγνητίτη με επικάλυψη CTAB (M17)σε πέντε συγκεντρώσεις (1, 2, 4, 6, 8 mg/ml) σε πεδίa 2, 25, 3 mt. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 81

83 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 9 M18 H=2 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 M18 H=25 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 M18 H=3 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL 2mg/mL 1mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) Σχήμa 3.14: Πειραματικές καμπύλες υπερθερμίας (765kHz) νανοσωματιδίων μαγνητίτη με επικάλυψη δεξτράνης (M18)σε πέντε συγκεντρώσεις (1, 2, 4, 6, 8 mg/ml) σε πεδία 2, 25, 3 mt 82 Διπλωματική Εργασία

84 Τα Σχήματα παρουσιάζουν τις καμπύλες υπερθερμίας των δειγμάτων μαγνητίτη (Μ12, Μ14, Μ15) σε πέντε συγκεντρώσεις (1, 2, 4, 6, 8 mg/ml) σε πεδία 2, 25, 3 mt. Παρατηρούμε ότι και στα τρία δείγματα Μ12, Μ14, Μ15 οι καμπύλες υπερθερμίας σε όλες τις συγκεντρώσεις και σε όλα τα πεδία ξεπερνάνε τη ζώνη υπερθερμίας ο C. Το δείγμα Μ14 εμφανίζει τη μεγαλύτερη διαφορά θερμοκρασίας η οποία φτάνει τους 48, 6 ο C σε συγκεντρώσεις διαλυμάτων 6, 8mg/mL σε πεδίο 3 mt και συχνότητα 765KHz. Σε αυτές τις δύο συγκεντρώσεις η άνοδος της θερμοκρασίας είναι απότομη. Στη συγκέντρωση 8 mg/ml η μέγιστη θερμοκρασία παρατηρήθηκε περίπου σε χρόνο t=156sec και στη συγκέντρωση 6mg/mL σε χρόνο 347sec αντίστοιχα. Όπως μπορεί να δει κανείς και στα τρία δείγματα με την αύξηση της συγκέντρωσης αυξάνεται και η θερμική απόκριση των νανοσωματιδίων. Μόνο το δείγμα Μ12 στη συγκέντρωση 6mg/mL παρουσιάζει λίγο μεγαλύτερη θερμική απόκριση από ότι στη συγκέντρωση 8mg/mL και στα τρία πεδία. Ενώ τα σχήματα παρουσιάζουν τις καμπύλες υπερθερμίας των δειγμάτων μαγνητίτη με τις επιφανειοδραστικές ουσίες (Μ16, Μ17, Μ18) σε πέντε συγκεντρώσεις (1, 2, 4, 6, 8 mg/ml)σε πεδία 2, 25, 3 mt. Παρατηρούμε ότι το δείγμα με τη μεγαλύτερη θερμική απόκριση είναι το δείγμα με επικάλυψη δεξτράνης (Μ18) το οποίο παρουσιάζει απότομη άνοδο θερμοκρασίας μέχρι και 46 ο C σε συγκέντρωση διαλύματος 8mg/mL και πεδίο 3 mt. Αυτή η διαφορά θερμοκρασίας προσεγγίζει πολύ τη διαφορά θερμοκρασίας που παρουσιάζεται στο καθαρό δείγμα του μαγνητίτη. Το δείγμα με τη χαμηλότερη θερμική απόκριση είναι το δείγμα με επικάλυψη CTAB. Στο δείγμα αυτό παρόλο που οι καμπύλες υπερθερμίας υπερβαίνουν τη ζώνη υπερθερμίας σε όλες τις συγκεντρώσεις (εκτός από 1, 2mg/mL) η μέγιστη άνοδος θερμοκρασίας που παρουσιάζει είναι 18 ο C στις συγκεντρώσεις 6, 8mg/mL και πεδίο 3 mt. To δείγμα με επικάλυψη κιτρικού οξέος παρουσιάζει μια ενδιάμεση άνοδο θερμοκρασίας σε σχέση με τα άλλα δύο δείγματα καθώς η μέγιστη άνοδος θερμοκρασίας του είναι 23.6 ο C και σημειώνεται σε συγκέντρωση 8mg/mL και σε πεδίο 3 mt. Στο δεύτερο μέρος των πειραματικών αποτελεσμάτων παρατίθενται οι καμπύλες υπερθερμίας του δείγματος νανοσωματιδίων γκρεϊγκίτη χωρίς επικάλυψη (Σχήμα 3.15) καθώς και των δειγμάτων του γκρεϊγκίτη με τα επιφανειοδραστικά (Σχήμα ) σε τρείς συγκεντρώσεις (4, 6, 8mg/mL)στα αντίστοιχα πεδία (Η=2, 25, 3 mt). Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 83

85 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 9 FS2 H=2 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 FS2 H=25 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 FS2 H=3 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) Σχήμα 3.15: Πειραματικές καμπύλες υπερθερμίας (765kHz) νανοσωματιδίων γκρεϊγκίτη χωρίς επικάλυψη (FS2) σε τρείς συγκεντρώσεις (1, 2, 4, 6, 8 mg/ml) σε πεδία 2, 25, 3 mt. 84 Διπλωματική Εργασία

86 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 9 FS3 H=2 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 FS3 H=25 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 FS3 H=3mT 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) Σχήμα 3.16: Πειραματικές καμπύλες υπερθερμίας (765kHz) νανοσωματιδίων με επικάλυψη κιτρικού οξέος (FS3) σε τρείς συγκεντρώσεις (4, 6, 8 mg/ml) σε πεδία 2, 25, 3 mt. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 85

87 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 9 FS4 H=2 mt 8mg/mL 4mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(sec) 9 FS4 H=25 mt 8mg/mL 4mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(sec) 9 FS4 H=3 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(sec) Σχήμα 3.17: Πειραματικές καμπύλες υπερθερμίας (765kHz)νανοσωματιδίων γκρεϊγκίτη με επικάλυψη CTAB (FS4) σε τρείς συγκεντρώσεις (4, 6, 8 mg/ml) σε πεδία 2, 25, 3 mt. 86 Διπλωματική Εργασία

88 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ 9 FS5 H=2 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 FS5 H=25mT 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) 9 FS5 H=3 mt 8mg/mL 6mg/mL 4mg/mL H2O 7 o Θερμοκρασία( C) Χρόνος(s) Σχήμα 3.18: Πειραματικές καμπύλες υπερθερμίας (765kHz) νανοσωματιδίων γκρεϊγκίτη με επικάλυψη δεξτράνης (FS5)σε τρείς συγκεντρώσεις (4, 6, 8 mg/ml) σε πεδία 2, 25, 3 mt. Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 87

89 Τα Σχήματα παρουσιάζουν τις καμπύλες υπερθερμίας των δειγμάτων γκρεϊγκίτη (FS2, FS3, FS4, FS5) σε τρείς συγκεντρώσεις (4, 6, 8 mg/ml) σε πεδία 2, 25, 3 mt. Όσον αφορά το δείγμα FS4 σε συγκέντρωση 6mg/ml στα πεδία 2,25mT οι καμπύλες υπερθερμίας δεν σημείωσαν καμία θερμοκρασιακή άνοδο και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μην προβάλλονται στα διαγράμματα. Στο δείγμα FS2 η μεγαλύτερη θερμοκρασιακή άνοδος σημειώνεται στη συγκέντρωση 8mg/mL και σε πεδίο 3 mt και είναι περίπου ίση με ο C. Όπως μπορεί να παρατηρήσει κανείς είναι μικρότερη από τη θερμοκρασιακή άνοδο που παρουσιάζουν τα νανοσωματίδια μαγνητίτη αλλά παρ όλα αυτά μπορούμε να πούμε ότι η θερμική απόκριση των νανοσωματιδίων γκρεϊγκίτη μπορεί να γίνει συγκρίσιμη με την αντίστοιχη των ευρέως χρησιμοποιούμενων νανοσωματιδίων μαγνητίτη. Επιπλέον παρατηρούμε ότι τα δείγματα του γκρεϊγκίτη με τα επιφανειοδραστικά σημειώνουν πολύ μικρή θερμική απόκριση, με τη δεξτράνη να παρουσιάζει μεγαλύτερη θερμοκρασιακή άνοδο σε σχέση με τα άλλα επιφανειοδραστικά, όπως συμβαίνει και στον μαγνητίτη, που φτάνει περίπου τους 36 ο C. Αντίθετα το δείγμα με επικάλυψη CTAB δεν παρουσιάζει σχεδόν καθόλου θερμοκρασιακή άνοδο και οι καμπύλες υπερθερμίας δεν εισέρχονται καθόλου στη ζώνη υπερθερμίας. Στο δείγμα FS3 (δείγμα γκρεϊγκίτη με επικάλυψη κιτρικού οξέος) ικανοποιητική άνοδος θερμοκρασίας σημειώνεται στο πεδίο 3 mt και σε συγκεντρώσεις 6, 8mg/mL που φτάνει περίπου στους 16 ο C και στις οποίες οι καμπύλες υπερθερμίας υπερβαίνουν τη ζώνη υπερθερμίας. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία σε ανάλογες μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε υδάτινα διαλύματα γκρεϊγκίτη σε συγκεντρώσεις 2, 3mg/mL η θερμοκρασία έφτασε μέσα σε τρία λεπτά στους 4-45 ο C και η διαφορά θερμοκρασίας ΔΘ σε 6sec έφτασε 4 ο C και 5 ο C αντίστοιχα καθιστώντας τα δείγματα γκρεϊγκίτη ικανά να επάγουν υπερθερμία. 22 Συγκρίνοντας τα δείγματα μαγνητίτη και γκρεϊγκίτη συμπεραίνουμε ότι τα δείγματα μαγνητίτη παρουσιάζουν πιο απότομη αύξηση θερμοκρασίας στο ίδιο χρονικό διάστημα και παρατηρείται μεγαλύτερη θερμοκρασιακή άνοδος η οποία αυξάνεται με τη συγκέντρωση και το μαγνητικό πεδίο. Τα δείγμα μαγνητίτη χωρίς κάποιο είδος επικάλυψης (Μ14)και το δείγμα γκρεϊγκίτη αντίστοιχα ( FS2) παρουσιάζουν καλύτερα θερμικά αποτελέσματα από ότι αυτά με τις επικαλύψεις (M16, M17, M18, FS3, FS4, FS5) με το Μ14 να έχει καλύτερη θερμική απόκριση από ότι το FS2. Ωστόσο το κιτρικό οξύ και η δεξτράνη παρουσιάζουν ικανοποιητική άνοδο θερμοκρασίας ικανή για να επάγουν υπερθερμία. Ενώ το CTAB στην περίπτωση των δειγμάτων γκρεϊγκίτη δεν συμβάλλει καθόλου στην αύξηση της θερμοκρασίας και στην περίπτωση των δειγμάτων 88 Διπλωματική Εργασία

90 ΠΜΣ Φυσικής και Τεχνολογία Υλικών Τμήμα Φυσικής ΑΠΘ μαγνητίτη προκαλεί πιο χαμηλή θερμοκρασιακή άνοδο σε σχέση με τα άλλα επιφανειοδραστικά μόνο που σε αυτή την περίπτωση οι καμπύλες υπερθερμίας μπαίνουν στη ζώνη υπερθερμίας. 3.4 Αποτίμηση θερμικής απόκρισης Όπως προαναφέραμε η θερμική απόδοση των νανοσωματιδίων δίνεται από την εξίσωση (3.6). Προκειμένου να εξαχθεί μια πιο ακριβής τιμή SLP, το σήμα αναφοράς που οφείλεται στο διαλύτη (απεσταγμένο νερό) αφαιρείται από τα δεδομένα μέτρησης, ενώ οι θερμικές απώλειες προς το περιβάλλον που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων συμπεριλαμβάνονται στον υπολογισμό του SLP. Στο παρακάτω Σχήμα 3.19 η πειραματική καμπύλη, όπου εμφανίζονται φυσικά θερμικές απώλειες λόγω μικρότερης θερμοκρασίας περιβάλλοντος, είναι ουσιαστικά διαφορετική από την ιδανική καμπύλη που αντιστοιχεί σε μηδενικές θερμικές απώλειες. Σχήμα 3.19: Σχηματική απεικόνιση μιας τυπικής πειραματικής καμπύλης θέρμανσης (experimental) και μιας ιδανικής καμπύλης θέρμανσης μέσω αδιαβατικής διόρθωσης για τον ακριβή υπολογισμό του SLP που εκφράζει την αύξηση της θερμοκρασίας των νανοσωματιδίων λαμβάνοντας υπόψιν την αφαίρεση των απωλειών στο περιβάλλον (adiabatic). Για την πραγματική θερμική απόδοση των νανοσωματιδίων, οι μετρήσεις διορθώθηκαν με τη χρήση του τροποποιημένου νόμου της ψύξης που περιγράφεται από την παρακάτω εξίσωση: dq dt mc p UA(T Tout ) dt dt (3.8) όπου το Q είναι η θερμική ενέργεια, m η μάζα διαλύματος, U συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, Α εμβαδόν επιφάνειας, Τ η μετρούμενη θερμοκρασία στο διάλυμα και Tout η θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η συνολική θερμότητα που παράγεται από τα νανοσωματίδια είναι ισοδύναμη με το τμήμα που απορροφάται από το διάλυμα και τις απώλειες ενέργειας προς το περιβάλλον. Διαιρώντας με το mcp η παραπάνω εξίσωση γίνεται : Βελτιστοποίηση απόδοσης μαγνητικής υπερθερμίας μέσω παραμέτρων σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων 89