کاربرد های نانومواد ابرپارامغناطیس

) زیست سازگاری بالایی با بدن انسان دارند و در صورت ورود به آن (در صورتیکه ابعاد آنها در بازه مطلوبی باشد) می توانند بدون ایجاد مزاحمتی در عملکرد بدن ماموریتی را انجام دهند. به همین دلیل از آنها به عنوان حامل دارو استفاده می شود. این استفاده به دو صورت است. در یک حالت دارو بر روی این نانومواد ابرپارامغناطیس بارگذاری شده و به بدن وارد می شود. در ادامه باتوجه به خاصیت مغناطیسی آنها با اعمال میدان مغناطیسی خارجی سعی می شود تا آنها را به همراه دارویی که بر روی آنها قرار گرفته است به مکان مورد نظر که مثلا می تواند یک سلول سرطانی باشد هدایت کرد. این امر به خاطر خاصیت مغناطیسی قوی این نانومواد مقدور است. منتها درحالتیکه هدف انتقال آنها به مناطقی در پوست یا نزدیک پوست باشد این امر امکان پذیر است.بعضی از نانومواد ابرپارامغناطیس همچون مگنتیت(Fe3O4) و مگهمیت (Fe2O3) است.

اما حالت دیگر برای انتقال دارو استفاده از آنها صرفا به عنوان حامل دارو است. در این حالت علاوه بر دارو بر روی سطح آنها می توان عواملی همچون آنتی بادی ها یا آپتامرها قرار داده می شود تا بتوانند به صورت فعال یا غیرفعال (برای اطلاع بیشتر به مقالات بخش سلامت مراجعه شود) به بافت هدف که می تواند یک سلول سرطانی باشد برسند. در این حالت از خاصیت مغناطیسی آنها استفاده ای نمی شود و صرفا به خاطر زیست سازگاری بالای آنها از آنها استفاده می شود. البته در این حالت از نانومواد ابرپارامغناطیس آنها استفاده می شود (نه از نانومواد فرومغناطیس آنها) چراکه اگر در این حالت به علت وجود میدان های مغناطیسی خارجی نانومواد مغناطیسی شوند نیاز است تا مجددا خاصیت مغناطیسی خود را از دست دهند، چراکه در غیر این صورت به یکدیگر می چسبند و نمی توانند ماموریت خود را انجام دهند. به همین دلیل از نانومواد ابرپارامغناطیس استفاده می شود که اگر هم میدان مغناطیسی خارجی از طرف محیط به آنها وارد شد مجددا با گرمای محیط خاصیت مغناطیسی خود را از دست بدهد و به صورت پایدار با پخش یکنواخت در محیط قرار بگیرد[۵].

از نانومواد ابرپارامغناطیس در درمان سرطان به روش هایپرترمیا استفاده می شود. در این روش نانومواد ابرپارامغناطیس به روش های مختلف در اطراف سلول سرطانی قرار می گیرد. سپس با اعمال میدان های مغناطیسی متغیر با زمان به نانومواد ابرپارامغناطیس، از آنها گرما آزاد می شود و به صورت موضعی اطراف سلول سرطانی تا دمای مشخصی گرم می شود. سلول سرطانی نسبت به سلول های سالم حساسیت دمایی بالاتری دارد و در دماهای به خصوصی از بین می رود بدون اینکه سلول های سالم آسیب های قابل توجهی دریافت کنند [۶].

با ورود نانومواد ابرپارامغناطیس به بعضی از بافت های هدف در تهیه MRI می توان کنتراست قابل توجهی ایجاد نمود تا به خوبی بافت ها از هم تفکیک یابند. برای مثال می توان با قراردادن آنتی بادی های مخصوص یک نوع سلول سرطانی بر روی نانومواد ابرپارامغناطیس، آنها را به آنتی ژن های خاص آن نوع سلول سرطانی رساند و آنها را اطراف سلول سرطانی قرار داد. حال در تصویر MRI سلول سرطانی به خوبی و وضوح بالا از سایر بافت های اطرافش تفکیک می یابد. 

حافظه های مغناطیسی بر اساس ذخیره اطلاعات به شکل صفر و یک عمل می کنند. صفر و یک در هاردهای مغناطیسی بر اساس جهت مغناطش حوزه های مغناطیسی است. به این صورت که در صورت گذر از یک حوزه به حوزه مجاور اگر تغییر جهت مغناطش مشاهده شود، این تغییر جهت یک در نظر گرفته می شود و اگر تغییر جهتی مشاهده نشود صفر در نظر گرفته می شود. یکی از راهکارهایی که برای افزایش قابل توجه ظرفیت این حافظه های مغناطیسی و همین طور غلبه بر چالش های مختلف در عملکرد این حافظه ها مطرح است استفاده از نانومواد ابرپارامغناطیس است. البته در کنار استفاده از این نانومواد نیاز به تدابیر مختلفی همچون روش ذخیره سازی در این حافظه ها نیز هست [۷].

از جمله عوامل تاثیرگذار بر روی خواص مغناطیسی می توان به ساختار کریستالی، عیوب کریستالی، ناخالصی ها، تخلخل، درجه حرارت، زمان، میدان خارجی و محیط اشاره نمود.

یکی از مهم ترین عوامل تاثیرگذار بر خاصیت مغناطیسی دماست. افزایش درجه حرارت باعث افزایش نوسانات حرارتی اتم ها می شود. اگر این افزایش نوسانات حرارتی زیاد باشد می تواند به جهت گیری حوزه ها غلبه کند و خاصیت مغناطیسی را کاهش دهد و یا حتی در صورتیکه دما خیلی بالا باشد خاصیت مغناطیسی را از بین ببرد. به دمایی که در آن در یک ماده به خصوص مغناطش صفر شود دمای کوری گفته می شود. برای مثال در شکل5 تاثیر افزایش دما بر روی مغناطش پسماند در یک قطعه نیکلی نمایش داده شده است. مطابق این شکل همانطور که توضیح داده شد دیده می شود که افزایش دما به کاهش مغناطش در ماده و در نهایت صفر شدن آن در دمای کوری می انجامد [۸].

در بررسی عوامل مختلف بر روی خاصیت مغناطیسی یکی از عوامل تاثیرگذار دیواره حوزه ها هستند. همانطور که توضیح داده شده، چرخش دیواره حوزه هاست که باعث همراستا شدن ممان های مغناطیسی در ماده می شود، بنابراین اثر عوامل مختلف بر روی سهولت یا ممانعت از چرخش دیواره حوزه ها بر روی خواص مغناطیسی ماده بسیار اثرگذار است. دیواره حوزه منطقه ای است که در آن ممان های مغناطیسی بین دو حوزه مجاور تغییر کرده است. این دیواره ها پهنای حدودا ۱۰۰ نانومتری دارند و دارای انرژی بالایی می باشند. باتوجه به این امر هرچیزی که از چرخش دیواره حوزه ها جلوگیری کند یا در آن اختلال ایجاد کند باعث کاهش خواص مغناطیسی در ماده می شود. از جمله این موارد می توان به تخلخل، ناخالصی، افزایش مرزدانه، عیوب کریستالی، عدم توزیع یکنواخت اجزا در ماده و وجود فازهای ثانویه در ماده اشاره کرد [۸].

[1].Callister, William D., and David G. Rethwisch. Materials science and engineering: an introduction. Vol. 7. New York: John wiley& sons, 2007.

[2]. Vajtai, Robert, ed. Springer handbook of nanomaterials. Springer Science & Business Media, 2013.

[3]. Krishnan, Kannan M., et al. "Nanomagnetism and spin electronics: materials, microstructure and novel properties." Journal of materials science 41.3 (2006): 793-815.

[4]. Busquets, Maria, et al. "Magnetic nanoparticles cross the blood-brain barrier: when physics rises to a challenge." Nanomaterials 5.4 (2015): 2231-2248.

[5]. Arruebo, Manuel, et al. "Magnetic nanoparticles for drug delivery." Nano today 2.3 (2007): 22-32.

[6]. Laurent, Sophie, et al. "Magnetic fluid hyperthermia: focus on superparamagnetic iron oxide nanoparticles." Advances in colloid and interface science 166.1-2 (2011): 8-23.

[7]. Cong, D. Y., et al. "Superparamagnetic and superspin glass behaviors in the martensitic state of Ni 43.5 Co 6.5 Mn 39 Sn 11 magnetic shape memory alloy." Applied physics letters 96.11 (2010): 112504.

[۸]. دکتر رضا نعمتی، علم و مهندسی سرامیک­ ها، انتشارات دانشگاه صنعتی شریف، سال۱۳۹۴