پژوهش سرای آفرینش

نانوذرات مغناطيسي؛ معرفي و کاربرد

1. مقدمه

واژه مغناطيس کلمه‌اي يوناني است که به بعضي سنگ‌هاي طبيعي اکسيد آهن اطلاق مي‌شد. اين سنگ‌ها از اين خاصيت برخوردارند که بر يکديگر و بر ذرات آهن يا فولاد نيرو وارد مي‌آورند. يونانيان باستان، بيش از 2500 سال پيش با پديده‌ي آهنربايي آشنا بودند. تالس که اغلب از او به عنوان پدر علم يونان ياد مي‌شود، ماده‌ي کاني مگنتيت (Fe3O4) که آهن را مي‌ربايد، مي‌شناخت. اين کاني بيشتر در مگنزيا (ترکيه امروزي) يافت مي‌شده است و نام مگنتيت نيز از همين اسم گرفته شده است. چيني‌هاي باستان نيز با ويژگي‌هاي مغناطيسي برخي از سنگ‌هاي آهنربا آشنايي داشتند و تکه‌هايي از اين سنگ‌ها را به صورت قطب‌نماهاي ساده در دريانوردي به کار مي‌بردند.

اولين تحقيق علمي در مورد مغناطيس توسط ويليام گيلبرت  انجام شد که تصوير دقيقي از ميدان مغناطيسي زمين ايجاد کرد و بسياري از خرافات گذشته را از بين برد. سپس در سال 1825 اولين الکترومگنت به وسيله کشف بزرگ هانس کريستين اورستد  ايجاد شد. اورستد دريافت که همواره در فضاي اطراف رساناهاي جريان يا ذرات باردار متحرک، ميدان مغناطيسي پديد مي‌آيد.

خواص مغناطيسي مواد نتيجه ممان‌‌هاي مغناطيسي حاصل از الکترون‌هاست. هرالکترون در يک اتم داراي ممان مغناطيسي است، که از دو منبع ايجاد مي‌شود: يکي مربوط به حرکت اوربيتالي الکترون حول هسته است و ديگري ناشي از چرخش الکترون به دور محور خودش که حرکت اسپيني ناميده مي‌شود. بنابراين هر الکترون در يک اتم با ممان‌هاي اوربيتالي و اسپيني مي‌تواند به طور دائم مانند آهنرباي کوچکي عمل نمايد.

2. نانوذارت مغناطيسي

مي‌دانيم که همه‌ي مواد در مقياس نانو، خواصي متفاوت از خود بروز مي‌دهند. مواد مغناطيسي نيز از اين قاعده مستثني نيستند. در واقع؛ خاصيت مغناطيسي از جمله خواصي است که به مقدار بسيار زيادي به اندازه‌ي ذره وابسته است. به عنوان مثال، در مواد فرومغناطيس وقتي اندازه‌ي ذره از يک حوزه‌ي مغناطيسي ِ منفرد کوچک‌تر گردد، پديده‌ي سوپرپارامغناطيس به وقوع مي‌پيوندد. نانوذرات سوپرپارامغناطيس مي‌توانند کاربردهاي بالقوه‌ي زيادي در فروسيال‌ها، تصويرسازي‌هاي رنگي، سردسازي مغناطيسي، سم‌زدايي از سيال‌هاي بيولوژيکي، انتقال کنترل شده‌ي داروهاي ضد سرطان، MRI و جداسازي‌هاي سلولي مغناطيسي داشته باشند.

هر ماده‌ي مغناطيس در حالت توده، از حوزه‌هاي مغناطيسي تشکيل شده است. هر حوزه حاوي هزاران اتم است که در آن جهت چرخش الکترون‌ها يکسان و ممان‌هاي مغناطيسي به صورت موازي جهت يافته‌اند. اما جهت چرخش الکترون ِ هر حوزه با حوزه‌هاي ديگر متفاوت است. هرگاه، يک ميدان مغناطيسي بزرگ، تمام حوزه‌هاي مغناطيسي را هم‌جهت کند، تغيير فاز مغناطيسي رخ داده و مغناطش به حد اشباع مي‌رسد.

هر چه تعداد حوزه‌ها کم‌تر باشد، نيرو و ميدان کمتري نيز براي هم‌جهت ساختن حوزه‌ها مورد نياز است، و چنانچه ماده‌اي تنها داراي يک حوزه باشد، بنابراين نيازي به هم‌جهت کردن آن با ديگر حوزه‌ها نخواهد بود. از آنجا که قطر اين حوزه‌ها در محدوده يک تا چند هزار نانومتر است، هر ذره‌اي که تنها شامل يک حوزه باشد، مي‌تواند نانوذره به شمار رود. نانوذرات مغناطيسي داراي تعداد حوزه‌هاي کمي هستند و مغناطش آن‌ها ساده‌تر مي‌باشد. از طرف ديگر، بر اساس قانون دوم ترموديناميک "بي نظمي در يک سيستم منزوي، در يک فرآيند خودبخودي، افزايش مي‌يابد." بنابراين، موادي که از حالت طبيعي خارج مي‌شوند، تمايل شديدي براي برگشت به وضعيت طبيعي خود را دارند و مغناطش مثالي در اين مورد است. اما چون نانوذرات مغناطيسي نياز به نيروي زيادي براي مغناطش ندارند، خيلي از حالت طبيعي فاصله نمي‌گيرند و پس از مغناطيس شدن تمايل چنداني براي از دست دادن خاصيت مغناطيسي و بازگشت به وضعيت اوليه را ندارند.

3. مثالي از کاربردها

3-1. ذخيره اطلاعات

نانوذرات مغناطيسي با اندازه 2 تا 20 نانومتر مي‌توانند به عنوان ابزاري براي ذخيره اطلاعات در کارت‌هاي مغناطيسي استفاده شوند.

3-2. فروسيال‌ها (محلول‌هاي مغناطيسي)

فروسيال‌ها، محلول‌هايي هستند که در آن نانوذرات مغناطيسي (مانند: آهن و کبالت)، به صورت کلوئيد در مايعي معلق مي‌باشند و به آن خاصيت مغناطيسي مي‌بخشند. هر چه اندازه‌ي نانوذرات مغناطيسي کوچک‌تر باشد، محلول خاصيت مغناطيسي بيشتري از خود نشان مي‌دهد.

از جمله کاربردهاي فروسيال‌ها مي‌توان به عنوان خنک‌ کننده نام برد. هم‌چنين از اين محلول‌ها براي به حرکت در‌آوردن سيال‌ها در چيپ‌ها به وسيله‌ي نيروي مغناطيسي استفاده مي‌شود.

3-3. نانوکامپوزيت‌هاي مغناطيسي

با توزيع و اندازه دانه‌ي مناسب نانوذرات مغناطيسي در بستر مواد پليمري مي‌توان نانوکامپوزيت‌هايي با خاصيت مغناطيسي به دست آورد. ميزان و نوع نانوذرات و هم‌چنين نحوه‌ي توزيع آن مي‌تواند بر خواص نهايي نانوکامپوزيت و کاربرد آن اثر بگذارد. نانوکامپوزيت‌هاي مغناطيسي کاربردهاي بالقوه‌ي زيادي را در سنسورها، پوشش‌هاي الکترومغناطيس و مواد جاذب امواج دارا مي‌باشند.

3-4. دارو رساني هدفمند

بحث دارو رساني هدفمند بيشتر در رابطه با درمان سرطان مطرح است. چرا که چالش عمده در درمان سرطان، هدف‌گيري و از بين بردن سلول‌هاي سرطاني است؛ به طوري‌که تا حد امکان کمترين تأثير را بر سلول‌هاي سالم داشته باشد. يکي از اهداف نانوفناوري سوار کردن داروها بر روي مواد حامل (نانوذره) و سپس فرستادن و رها کردن آن‌ها به درون سلول هدف مي‌باشد که به آن دارو رساني هدفمند اطلاق مي‌شود.

با استفاده از نانوذرات مغناطيسي و ايجاد يک ميدان مغناطيسي مي‌توان دارو را به صورت هوشمند به بافت مورد نظر رسانده و سبب بهبود بافت، بدون صدمه به بافت‌هاي ديگر شد. در يک مثال موردي، محققان اسيد فوليک را بر روي نانوذرات مغناطيسي قرار داده‌ و سپس با داغ کردن نانوذرات سبب افزايش دماي سلول سرطاني و انهدام آن شده‌اند.

نظر به اين‌که، سلول‌هاي سرطاني در سطح خود گيرنده‌هاي اسيد فوليک دارند، ابتدا نانوذرات مغناطيسي حامل ِ اسيد فوليک را جذب مي‌کنند. سپس، محققان با استفاده از ميدان مغناطيسي متناوب اين نانوذرات را داغ مي‌کنند، که سبب افزايش دماي سلول تا بيش از 43 درجه سانتي‌گراد و مرگ سلول خواهد شد.