อนุภาคนาโนแม่เหล็กและเรโซแนนซ์ซูเปอร์พาราแมกเนติก (1) "ผลกระทบจากขนาด"

ผลึกโลหะและเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมาก (> 100 นาโนเมตร) มีค่าการนำไฟฟ้าที่มาจากอิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งเป็นระดับพลังงานต่อเนื่องที่เรียกว่า "โครงสร้างแถบ" เมื่อคริสตัลเหล่านี้ถูกลดขนาดลงเป็นบริเวณที่มีแสงน้อย (รูปที่ 1 : 1 – 100 นาโนเมตร) พื้นที่ของระดับพลังงานจะไม่ถือว่า "ต่อเนื่อง" อีกต่อไป แต่เป็นแบบไม่ต่อเนื่องกัน จึงแสดงให้เห็นคุณสมบัติทางกายภาพใหม่ที่แตกต่างจากมวล อะตอม และโมเลกุล นี่เรียกว่าเอฟเฟกต์ขนาดควอนตัม^[1].

ไตรไอรอน เตตระออกไซด์ (Fe₃O₄) ซึ่งเป็นเฟอร์ริแม็กเน็ตและโลหะครึ่งหนึ่ง (หรือเซมิคอนดักเตอร์) เป็นที่รู้จักกันดีในชื่อ "แม่เหล็ก" และเป็นสารประกอบที่คุ้นเคยกันดีในอดีต อนุภาคละเอียดของแมกนีไทต์ เช่นเดียวกับโลหะอื่นๆ แสดงคุณสมบัติทางกายภาพที่มีลักษณะเฉพาะตามเอฟเฟกต์ควอนตัม อนุภาคแม่เหล็กที่มีขนาดเท่ามีสโคปิกมีโดเมนแม่เหล็กเดียว และมีลักษณะการทำงานเป็น "ซุปเปอร์พาราแมกเน็ท" ไม่ใช่เฟอร์ริแมกเนต์อีกต่อไปโดยผลของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนและการคลายตัวของนีล ซุปเปอร์พาราแมกเนติกต่างจากเฟอร์โรแมกเนต์/เฟอร์ริแมกเนต์ ซุปเปอร์พาราแมกเนติกไม่มีฮิสเทรีซิสและแอนไอโซโทรปีแม่เหล็กมีขนาดเล็ก อย่างไรก็ตาม มีโมเมนต์แม่เหล็กขนาดใหญ่คล้ายกับเฟอร์ริแมกเนต์ อนุภาคนาโนแม่เหล็กอย่างแมกนีไทต์คือ นำไปใช้กับทุ่ง Hyperthermia^{[2] [3]}, การถ่ายภาพอนุภาคแม่เหล็ก^[4] และเป็นตัวแทนความคมชัด^[5] ของการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก

รูปที่ 1 แผนภาพแสดงขนาดและโครงสร้างพลังงานของสารนำไฟฟ้า

ความแปรผันของสเปกตรัม FMR/SPR ที่ขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาค

รูปที่ 2 แสดงสเปกตรัมเฟอเรโซแนนซ์เรโซแนนซ์ (FMR) ของ Fe₃O₄ ผงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50-100 นาโนเมตรและสเปกตรัมซูเปอร์พาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (SPR) ของ Fe₃O₄ การกระจายตัวของอนุภาคนาโนแม่เหล็กในโทลูอีน ผงแม่เหล็กขนาดใหญ่มีค่าการนำไฟฟ้าและแอนไอโซโทรปีแม่เหล็ก ดังนั้นสเปกตรัมของมันถูกมองว่าเป็นรูปร่างไดโซเนียนในวงกว้าง ในทางตรงกันข้าม แอนไอโซโทรปีแม่เหล็กของอนุภาคนาโนจะเล็กลงเรื่อยๆ ตามการลดขนาดลง และยังมีสัญญาณไอโซโทรปิกแบบแคบใหม่ปรากฏขึ้นอีกด้วย รูปแบบสเปกตรัมเหล่านี้แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากผงขนาดใหญ่และไอออนของเหล็กพาราแมกเนติก นี่เป็นสถานะอิเล็กตรอนเฉพาะตัวขึ้นอยู่กับขนาด

รูปที่ 2 สเปกตรัม ESR ของแมกนีไทต์ (Fe₃O₄) อนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกัน
(a) คลื่นความถี่ FMR ของ Fe₃O₄ ผงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50-100 นาโนเมตร
(b) สเปกตรัม SPR ของ Fe₃O₄ การกระจายอนุภาคนาโนแม่เหล็กในโทลูอีน (0.625 มก. / มล.)