Суперпарамагнитные частицы с выраженной анизотропией, взвешенные в жидкости: динамическая восприимчивость намагниченной наносуспензии феррита кобальта
DOI:
https://doi.org/10.7242/2658-705X/2023.4.2Ключевые слова:
магнитные жидкости, динамическая магнитная восприимчивость, суперпарамагнетизм, жесткий диполь, феррит кобальтаАннотация
Теория линейного магнитного отклика одноосно-анизотропной однодоменной наночастицы с суперпарамагнитными свойствами, взвешенной в линейно вязкой жидкости распространена на случай присутствия постоянного подмагничивающего поля. Для ансамбля невзаимодействующих частиц (наносуспензии) – ее реальным прототипом является разбавленная магнитная жидкость – рассчитана динамическая магнитная восприимчивость с учетом полного набора
релаксационных мод: внутренних (релаксация магнитного момента внутри частицы) и внешних (ориентационная релаксация частицы в жидкости). Определено влияние подмагничивающего поля на линии поглощения (частотные зависимости мнимой части динамической восприимчивости) такой системы.
Разработанная модель использована для интерпретации магнитодинамических измерений на наносуспензии феррита кобальта. Сформулирована минимально достаточная модель полидисперсного состава образца: три фракции, одна из которых имеет кластерную структуру. Показано, что приближение «жесткого диполя» (внутренние степени свободы магнитного момента частицы заморожены) хорошо справляется с объяснением спектра поглощения на низких частотах, где главную роль играют крупные фракции. Однако для объяснения частотной зависимости динамической восприимчивости в высокочастотном диапазоне, где главную роль играет мелкая фракция, склонная к суперпарамагнетизму, требуется применение полной теории.
Библиографические ссылки
Khanra S. [et al.] Functionalized self-assembled peptide nanotubes with cobalt ferrite nanoparticles for applications in organic electronics // ACS Applied Nano Materials – 2018 – № 1 – P. 1175–1187. https://doi.org/10.1021/acsanm.7b00344.
He Z., Zhang Z., Bi S. Nanoparticles for organic electronic applications // Materials Research Express. – 2020. – Vol. 7. – № 012004. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab636f.
Amiri S., Shokrollahi H. The role of cobalt ferrite magnetic nanoparticles in medical science // Material Science and Engineering, series C. – 2013. – Vol. 33. – № 1–8. https://doi.org/10.1016/j.msec.2012.09.003.
Srinivasan S.Y. [et al.] Applications of cobalt ferrite nanoparticles in biomedical nanotechnology // Nanomedicine. – 2018. – № 13. – P. 1221–1238. https://doi.org/10.2217/nnm-2017-0379.
Wu K. [et al.] Magnetic nanoparticle in nanomedicine: a review of recent advances // Nanomaterials. – 2019. – Vol. 30. – № 502003. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab4241.
Rivera-Rodrigues A., Rinaldi-Ramos C.M.Emerging biomedical applications based on the response of magnetic nanoparticles to time-varying magnetic fields // Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. – 2021. – Vol. 12. – № 20.1–20.23. https://doi.org/10.1146/annurev-chembioeng-102720-015630.
Kefeni K.K. [et al.] Spinel ferrite nanoparticles and nanocomposites for biomedical applications and their toxicity // Material Science and Engineering C. – 2020. – Vol. 107. – № 110314. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.110314.
Zeb F. [et al.] Surface effects in uncoated and amorphous SiO2 coated cobalt ferrite nanoparticles // Journal of Non-Crystalline Solids – 2016. – Vol. 435. – P. 69–75. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2016.01.003.
Mirzaee M.G., Norbakhsh M. Evaluation of superparamagnetic and biocompatible properties of mesoporous silica coated cobalt ferrite nanoparticles synthesized via microwave modified Pechini method // Journal of Non-Crystalline Solids – 2017. – Vol. 425. – P. 48–56. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.10.116.
Lucht N. [et al.] Biophysical characterization of (silica-coated) cobalt ferrite nanoparticles for hyperthermia treatment // Nanomateerials. – 2019. – Vol. 9. – № 1713. https://doi.org/10.3390/nano9121713.
Babu K., Reddy R.Y.V. Synthesis and characterization of magnetically core-shell structured CoFe2O4/SiO2 nanoparticles; Their enhanced antibacterial and electrocatalytic properties // Colloid and Surfaces A. – 2020. – Vol. 598. –№ 124806. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2020.124806.
Arun T. [et al.] Facile synthesized novel hybrid grapheme oxide/cobalt ferrite magnetic nanoparticles based surface coating material inhibit bacterial secretion pathway for antibacterial effect // Material Science and Engineering C. – 2019. – Vol. 104. – № 109932. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.109932.
Hatamine S. [et al.] Hyperthermia of breast cancer tumor using grapheme oxide-cobalt ferrite magnetic nanoparticles in mice // Journal of Drug Delivery Science and Technology. – 2021. – Vol. 65. – № 102680. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2021.102680.
Mikalauskaité A. [et al.] Golt-coated cobalt ferrite nanoparticles via methionine-induced reduction // Journal of Physical Chemistry C. – 2015. – Vol. 119. – P. 17398–17407. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b03528.
Jauhar S. [et al.] Tuning the properties of cobalt ferrite: a road towards diverse applications // RSC Advances. – 2016. – Vol. 6. – P. 97694–97719. https://doi.org/10.1039/C6RA21224G.
Shakil S. [et al.] In vivo toxicity studies of chitosan-coated cobalt ferrite nanocomples fo its application as MRI contrast dye // ACS Applied Bio Materials. – 2020. – Vol. 3. – P. 7952–7964. https://doi.org/10.1021/acsabm.0c01069.
Nam P.H. [et al.] Physical characterization and heating efficacy of chitosan-coated cobalt ferrite nanoparticles for hyperthermia application // Physics E. – 2021. – Vol. 134. – № 114862. https://doi.org/10.1016/j.physe.2021.114862.
Balaev D.A. [et al.] Dynamics remagnetization of CoFe2O4 nanoparticles: thermal fluctuation thawing of anisotropy // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2021. – Vol. 54. – № 275003. https://doi.org/10.1088/1361-6463/abf371.
Yoshida T., Enpuku K. Simulation and quantitative clarification of AC susceptibility of magnetic fluid in nonlinear Brownian relaxation region // Japanese Journal of Applied Physics. – 2009. – Vol. 48. – № 127002. https://doi.org/10.1143/JJAP.48.127002.
Raikher Yu.L., Stepanov V.I. Physical aspects of magnetic hyperthermia: Low-frequency ac field absorption in a magnetic colloid // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2014. – Vol. 368. – P. 421–427. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2014.01.070.
Stepanov V.I., Shliomis M.I. Combined rotation diffusion of a ferroparticle and its magnetic moment // Bulletin of Academy of Sciences USSR, Physocal series. – 1991. – Vol. 55. – P. 1–8.
Weizenecker J. The Fokker-Planck equation for copled Brown-Néel-rotation // Physics in Medicine and Biology. – 2018. – Vol. 63. – № 035004. https://doi.org/10.1088/1361-6560/aaa186.
Raikher Yu.L., Stepanov V.I. Nonlinear dynamic susceptibilities and field-induced birefringence in magnetic particle assembles // Advances in Chemical Physics. – 2004. – Vol. 129. – P. 419–588. https://doi.org/10.1002/047168077X.
Titov S.V. [et al.] Coupled physical and magnetodynamic rotational diffusion of a single-domain ferromagnetic nanoparticle suspended in a liquid // Physical Review E. – 2021. – Vol. 103. – № 052128. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.103.052128.
Poperechny I.S. Combined rotational diffusion of a superparamagnetic particle and its magnetic moment: Solution of the kinetic equation // Journal of Moleqular Liquids. – 2020. – Vol. 299. – № 112109. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.112109.
Kröger M., Ilg P. Combined dynamics of magnetization and particle rotation of a suspended superparamagnetic particle in the presence of an orienting field: Semi-analytical and numerical solution // Mathematical Models and Methods in Applied Sciences. – 2022. – Vol. 32. – P. 1349–1383. https://doi.org/10.1142/S0218202522500300.
Varshalovich D.A. [et al.] Quantum Theory of Angular Momentum: Irreducible Tensors, Spherical Harmonics, Vector Coupling Coefficients, 3nj Symbols – Singapoure: Wourld Scientific, 1988.
Poperechny I.S., Raikher Yu.L., Stepanov V.I. Dynamic magnetic hysteresis in single-domain particles with uniaxial anisotropy // Physical Review B. – 2010. – Vol. 82. № 174423. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.174423.
Raikher Yu.L., Stepanov V.I. Ferromagnetic resonance in a suspension of a single-domain particles // Physical Review B. – 1994. – Vol. 50. – P. 6250–6259.
Poperechny I.S., Raikher Yu.L., Stepanov V.I. Ferromagnetic resonance in a dilute suspension of uniaxial superparamagnetic particles // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2017. – Vol. 424. – P. 185–188. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.10.023.
Storonkin B.A. Ferromagnetic resonance in a dilute suspension of uniaxial superparamagnetic particles // Soviet Physics of Crystallography. – 1985. – Vol. 30. – P. 489–497.
Coffey W.T., Kalmykov Yu.P. Waldron J.T. The Langevin Equation, fourth ed. – Singapore: World Scientific, 2017.
Лысенко С.Н., Якушева Д.Э., Астафьева С.А. Патент РФ № 2725231 от 27.08.2019 г.
Pshenichnikov A.F. A mutual-inductance bridge for analysis of magnetic fluids // Instrumental and experimental Techniques. – 2007. – Vol. 50. – P. 509–514. https://doi.org/10.1134/S0020441207040136.
Lakhtina E.V., Pshenichnikov A.F. Dispersion of magnetic susceptibility and the microstructure of magnetic fluid // Colloid Journal. – 2006. – Vol. 68. – P. 294–303. https://doi.org/10.1134/S1061933X06030057.
Dieckhoff J. [et al.] Magnetic-field dependence of Brownian and Néel relaxation times // Journal of Applied Physics. – 2016. – Vol. 119. – № 043903. https://doi.org/10.1063/1.4940724.