Сотрудники кафедры общей физики и молекулярной электроники и кафедры магнетизма физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова совместно с коллегами из НИИ ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ предложили улучшенный метод производства наночастиц на основе кобальта.

Наночастицы могут использоваться для адресной доставки лекарств или в биосенсорике. Результаты работы опубликованы в журнале Bulletin of the Russian Academy of Science: Physics.

Интерес к созданию магнитных наночастиц обусловлен возможностями их использования для адресной доставки лекарств и детектирования меченых такими частицами клеток или биомолекул (антигенов, антител, белков и нуклеиновых кислот) с помощью сенсоров магнитного поля. Кроме того, возможно использовать магнитные частицы для «магнитной гипертермии», где нагрев происходит в результате воздействия внешнего СВЧ магнитного поля.

Для внедрения наночастиц в живой организм нужна их высокая химическая чистота, достигаемая физическими методами синтеза. В данном исследовании учёные выбрали метод лазерной абляции в воде тонких плёнок (толщиной от 5 до 500 нм), что дало дополнительную возможность управлять размерами и составом наночастиц.

«Есть некоторые характерные толщины плёнок, на которых происходят изменения лазерно-индуцированного нагрева вещества, — глубина термической диффузии (несколько сотен нанометров), глубина скин-слоя (что более важно для данной статьи). В этом исследовании мы оценили толщину скин-слоя в 38 нм, и она являлась характерной толщиной тонкой плёнки, на границе которой должны происходить эти изменения», — прокомментировал Станислав Заботнов, доцент кафедры общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ.

Когда излучение проникает в металл, оно локализуется иначе на толщинах меньших, чем глубина скин-слоя — тепло от поглощённого излучения сильнее «растекается» в плоскости поверхности. Если же плёнка становится толще, то заметную роль играют процессы теплопроводности и термической диффузии — тепло при поглощении локализовано уже не в скин-слое, а проникает вглубь. В результате возникают различия в пространственном распределении температуры и протекании абляции.

В результате исследования учёные обнаружили изменения распределений наночастиц по размерам в зависимости от толщины используемой плёнки. При толщинах больше глубины скин-слоя средний размер частиц находится в диапазоне 70–100 нм, а само распределение по размерам имеет большую дисперсию (порядка 40%, что типично для метода лазерной абляции). Это соответствует случаю так называемой откольной абляции, когда происходит механический отрыв кусков плёнки в результате её лазерного нагрева и плавления. При толщинах меньше 35 нм наблюдалась немонотонная зависимость среднего размера (растёт до 1 мкм, потом начинает спадать с дальнейшим уменьшением толщины), при этом относительная дисперсия составляла всего лишь 20%, что соответствует фазовому взрыву, когда перегретый материал переходит в парокапельную смесь.

Далее физики исследовали магнитный отклик частиц методом вибрационной магнитометрии. Было обнаружено наличие петли гистерезиса, что соответствует ферромагнитным свойствам чистого кобальта. Другие исследования (спектроскопия комбинационного рассеяния света, спектроскопия электронного парамагнитного резонанса) показали также наличие оксида кобальта в изготовленных наночастицах.

В дальнейших планах учёных — создание магнитных биосенсоров, где будут использоваться такие магнитные наночастицы.

Источник: МГУ.