مطالعه ویژگی‌های مغناطیسی نانوذرات با استفاده از نانوحفرات زیستی

گروهی از محققان اسپانیایی با انجام مطالعه تطبیقی میان ساختار و مغناطیسی شدن هسته‌های maghemite در مراحل مختلف تشکیل نشان داده‌اند که این ساختارها از نظر مغناطیسی شبیه نانوذرات توخالی رفتار می‌کنند.

تمام موجودات زنده از باکتری‌ها گرفته تا
پستانداران، از نانوحفرات کروی پروتئینی به نام فریتین (“ferritin”) برای
ذخیره آهن بهره می‌برند. در سال‌های اخیر از این قالب‌های زیستی برای سنتز
نانوذرات مواد مغناطیسی و همچنین نانوذرات فلزات نجیب و نیمه‌رساناها
استفاده شده است. در بررسی‌های انجام شده مشاهده گردیده است که محیط زیستی
تا حد زیادی تعیین‌کننده هسته‌زایی و رشد هسته‌های معدنی است. با این حال
چگونگی تأثیر این محیط بر ویژگی‌های مغناطیسی نسبتاً ناشناخته مانده است.

حال مطالعه تطبیقی ساختار و مغناطیسی شدن هسته‌های maghemite در مراحل
مختلف تشکیل نشان می‌دهد که این ساختارها از نظر مغناطیسی شبیه نانوذرات
توخالی رفتار می‌کنند. اثر نقاط سطحی و بی‌نظمی‌های ساختاری مربوط به آنها
تا حد زیادی ممان مغناطیسی را کاهش می‌دهد، اما موجب افزایش آنیزوتروپی
مغناطیسی می‌شود. آنیزوتروپی پارامتری است که تعیین‌کننده پایداری حافظه
مغناطیسی نانوذرات است.
 

مراحل مختلف تشکیل مگنتوفریتین
این گروه میان‌رشته‌ای از محققان که شامل
فیزیک‌دان‌های موسسه علوم مواد آراگون (ICMA-CSIC) و زیست‌شیمی‌دان‌های
دانشگاه زاراگوزا (هر دو در اسپانیا) می‌باشد، از تعدادی از روش‌های مکمل
همچون میکروسکوپی نیروی اتمی، میکروسکوپی الکترونی، پراش اشعه ایکس،
مغناطیس‌سنجی SQUID و طیف‌سنجی موزبائر استفاده کردند.

هسته‌های مگنتوفریتین در مراحل اولیه تشکیل بسیار بی‌نظم و شبیه ماه‌های
نصفه هستند؛ میزان بلورینگی این هسته‌ها بسیار پایین است که از رشد همزمان
در نقاط هسته‌زایی مختلف درون حفره پروتئینی ناشی می‌شود. نانوذرات
مگنتوفریتین در مقایسه با maghemite توده‌ای که نزدیک‌ترین خویشاوند اولین
مغناطیس شناخته شده (مگنتیت) است، خاصیت مغناطیسی بسیار کمتری دارند.

توضیح قابل قبول برای این اثر که از داده‌های مغناطیسی و طیف‌سنجی نشأت
گرفته است این است که هر یک از چندین کریستالیت تشکیل‌دهنده یک هسته
مگنتوفریتین دارای ممان مغناطیسی با جهت‌گیری تصادفی هستند. با استفاده از
مطالعات مغناطیسی وابسته به زمان، آنیزوتروپی بسیار قوی که این پدیده را
توجیه نماید، مشاهده شده است. این رفتار به وجود نقاط تماس سطحی بسیار زیاد
نسبت داده می‌شود که مشخصه نانوذرات رشد یافته در قالب‌های زیستی است.

شاید بتوان از ویژگی‌های غیرمعمول نانوذرات مبتنی بر فریتین برای مطالعه
ویژگی‌های مغناطیسی سطحی در maghemite یا مواد مغناطیسی دیگر بهره برد. این
قابلیت به خصوص برای مطالعه نانومواد آنتی‌فرومغناطیسی جذابیت دارد که ممان
مغناطیسی آنها تقریباً به طور کامل توسط اسپین‌های خنثی نشده در سطح تعیین
می‌شود. از نقطه نظر فناوری، برهمکنش میان پروتئین و هسته‌های تشکیل شده
می‌تواند به پایداری بیت‌های مغناطیسی در برابر نوسانات دمایی کمک کند.