磁気弾性フィラメント

磁気弾性フィラメントは、磁性と弾性の両方の特性を示す一次元複合構造です。これらの材料への関心は、外部磁場を用いて機械的現象を精密に制御する能力に集まる傾向があります。圧電材料と同様に、アクチュエータとして使用できますが、電源に物理的に接続する必要はありません。磁気弾性フィラメントの形状は、弾性特性と磁気特性の競合によって決定されます。

機械的動作

磁性ナノチェーン

6つの磁性ナノビーズから構成される明確に定義された磁性ナノチェーンのTEM画像。[ 1 ]

磁性ナノチェーンは、磁場や磁場勾配を用いて操作可能な、高度に異方的な形状を有する新しいクラスの磁気応答性および超常磁性ナノ構造である。 [ 2 ] [ 3 ]このようなナノチェーンは、磁気的に集合して鎖状に固定された自己集合ナノ粒子クラスターで構成される。使用される様々な結合方法には、シリカコーティング、ポリアクリル酸（PAA）コーティング、テトラエトキシシラン縮合、ビオチン化、またはグルコース分解などがある。通常、これらのナノ構造の主な構成要素は、個々の超常磁性酸化鉄ナノ粒子（SPION）である。多数の個々の磁性ナノ粒子（約100個のSPION）で構成されるナノ粒子クラスターは、直径50～200ナノメートルの磁性ナノビーズとして知られている。[ 4 ]

粒子に働く力は、印加磁場の強度、方向、ダイナミクス、および局所的な磁気双極子の位置と向きに依存する。動的磁場は、鎖の形状を最も広範囲に制御することを可能にする。最も興味深いのは、動的磁場によって鎖の端に働く力である。磁性コロイドの列におけるラーモア歳差運動の影響は、磁場の歳差運動角に依存する動的相互作用をもたらす。実際、魔法角を掃引すると、双極子間相互作用の符号が反転する。Z軸の周りを高速で歳差運動する磁場において、鎖の端に働く力は[ 5 ]で与えられる。

Fend ＝ 3μ2σ4罪⁡（2（ω−dψdt）t）北−γdψdt北{\displaystyle F_{end}\ {=}\ {\frac {3\mu ^{2}}{\sigma ^{4}}}\sin(2(\omega -{\frac {d\psi }{dt}})t)\mathbf {N} -\gamma {\frac {d\psi }{dt}}\mathbf {N} }

ここで、 は双極子モーメント、はビーズの直径、は磁場歳差運動の角周波数、はフィラメント経路の変化率、は粘性抵抗係数、 はフィラメント曲線の接線に垂直な平面の単位ベクトルです。これにより周期的な磁力が発生します。しかし、歳差運動が速い場合、第2項はゼロではなく、 に比例します。 が低い場合、磁気トルクが支配的となり、鎖は自身に巻き付きます。 が高い場合、曲げ弾性率がエネルギーランドスケープを支配し、フィラメントは磁場依存の体積弾性率を持つ分岐ゲルを形成します。 μ{\displaystyle \mu}σ{\displaystyle \sigma }ω{\displaystyle \omega }dψdt{\displaystyle {\frac {d\psi }{dt}}}γ{\displaystyle \gamma}北{\displaystyle \mathbf {N} }ω−1{\displaystyle \omega^{-1}}ω{\displaystyle \omega }ω{\displaystyle \omega }

フィラメントに作用する荷重は、一般的にポリマーの結合方法によって制限されます。単純な共有結合フィラメントの弾性ひずみ領域は短く、ほとんどの条件下では伸長しないものとみなされます。引張力が大きくなりすぎると、塑性変形が発生し、通常は結合が切断され、ポリマーの絡み合いが解けます。これらの不可逆的な変化は、曲げ弾性率の永久的な変化をもたらし、最終的にはフィラメントの性能に影響を与える可能性があります。[ 6 ]

合金ナノピラー

集束イオンビームミリングなどのエッチング技術を用いることで、磁性材料にマイクロサイズまたはナノサイズのピラーを形成することができる。しかし、結晶ピラーを繰り返し曲げると、欠陥形成や疲労損傷を引き起こす可能性がある。この損傷は、弾性状態においても局所的な塑性によりピラー表面に亀裂が発生することで生じる。連続的な圧縮および引張サイクル中に亀裂が伝播すると、ピラーの破壊につながる可能性がある。これは、強磁場下で動作するカンチレバー磁気測定において見られる現象と類似している。そのため、連続した合金フィラメントを使用するよりも、より強靭で弾性のある材料（例えばポリマー）でより小さな磁性粒子を連結することが望ましい。[ 7 ]

アプリケーション

制御されたアスペクト比、均一なサイズ、明確に定義された形状を持つ磁性ナノチェーンの製造は、多くの世界をリードする研究グループやハイテク企業の焦点となっています。[ 8 ]磁性ナノチェーンは、低周波および超低周波交流磁場における磁気機械駆動関連ナノ医薬品など、多くの潜在的な用途に大きな付加価値をもたらす魅力的な特性を備えています。 [ 9 ]このような構造は、イメージングや薬物送達など、さまざまな用途に使用されています。[ 10 ]その他の用途を以下に示します。

  • 生体分子やナノ構造の弾性係数を試験するための機械センサー。[ 11 ]
  • マイクロアクチュエーション[ 12 ]
  • MRI画像
  • 薬物送達
  • 応答性コーティング

参照

参考文献

  1. ^ Kralj, Slavko; Makovec, Darko (2015年10月27日). 「超常磁性酸化鉄ナノ粒子クラスターの磁気的集合によるナノチェーンおよびナノバンドルの形成」. ACS Nano . 9 (10): 9700– 9707. doi : 10.1021/acsnano.5b02328 . PMID  26394039 .
  2. ^磁性ナノマテリアル、編集者：SH Bossmann、H Wang、英国王立化学協会、ケンブリッジ、2017年、 https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78801-037-5
  3. ^ Kralj, Slavko; Makovec, Darko (2015年10月27日). 「超常磁性酸化鉄ナノ粒子クラスターの磁気的集合によるナノチェーンおよびナノバンドルの形成」. ACS Nano . 9 (10): 9700– 9707. doi : 10.1021/acsnano.5b02328 . PMID 26394039 . 
  4. ^ Tadic, Marin; Kralj, Slavko; Jagodic, Marko; Hanzel, Darko; Makovec, Darko (2014年12月). 「新規超常磁性酸化鉄ナノクラスターの磁気特性とアニール処理下におけるその特異性」. Applied Surface Science . 322 : 255– 264. Bibcode : 2014ApSS..322..255T . doi : 10.1016/j.apsusc.2014.09.181 .
  5. ^ Dempster, Joshua M.; Vazquez-Montejo, Pablo; de la Cruz, Monica Olvera (2017年5月12日). 「高速歳差運動場における常磁性フィラメントの収縮駆動と動的ゲル集合」. Physical Review E. 95 ( 5) 052606. arXiv : 1711.06233 . Bibcode : 2017PhRvE..95e2606D . doi : 10.1103/PhysRevE.95.052606 . PMID 28618507 . 
  6. ^ Shcherbakov, Valera P.; Winklhofer, Michael (2004年12月27日). 「磁場下における磁性フィラメントの曲げ」. Physical Review E. 70 ( 6) 061803. Bibcode : 2004PhRvE..70f1803S . doi : 10.1103/PhysRevE.70.061803 . PMID 15697393 . 
  7. ^ Mirkovic, Tihana; Foo, Maw Lin; Arsenault, André C.; Fournier-Bidoz, Sébastien; Zacharia, Nicole S.; Ozin, Geoffrey A. (2007年8月12日). 「化学的アプローチを用いた柔軟なナノ構造のヒンジ付きナノロッド」. Nature Nanotechnology . 2 (9): 565– 569. Bibcode : 2007NatNa...2..565M . doi : 10.1038/nnano.2007.250 . PMID 18654369 . 
  8. ^ “ナノスSCI” . nanos-sci.com。
  9. ^ Golovin, Yuri I.; Gribanovsky, Sergey L.; Golovin, Dmitry Y.; Klyachko, Natalia L.; Majouga, Alexander G.; Master, Аlyssa M.; Sokolsky, Marina; Kabanov, Alexander V. (2015年12月). 「未来のナノ医薬品に向けて：交番磁場によるナノ医薬品の遠隔磁気機械駆動」. Journal of Controlled Release . 219 : 43– 60. doi : 10.1016/j.jconrel.2015.09.038 . PMC 4841691. PMID 26407671 .  
  10. ^ Sun, Conroy; Lee, Jerry SH; Zhang, Miqin (2008年8月17日). 「MRイメージングと薬物送達における磁性ナノ粒子」 . Adv Drug Deliv Rev. 60 ( 11): 1252– 1265. doi : 10.1016/j.addr.2008.03.018 . PMC 2702670. PMID 18558452 .  
  11. ^ Cebers, Andrejs; Erglis, Kaspars (2016年2月25日). 「フレキシブル磁性フィラメントとその応用」. Adv Funct Mater . 26 (22): 3783– 3795. doi : 10.1002/adfm.201502696 .
  12. ^ Vach, Peter J.; Faivre, Damien (2015年3月20日). 「磁気駆動のトライアスロン：単一の磁性材料による転がり、推進、遊泳」 . Nature . 5 : 9364. Bibcode : 2015NatSR...5E9364V . doi : 10.1038/srep09364 . PMC 4366818. PMID 25791721 .  
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