4. Магнитные частицы в
нанопорах
Другой областью продолжающихся исследований в наномагнетизме является создание
материалов путем заполнения пористых субстанций магнитными наночастицами. В
природе действительно существуют материалы с молекулярными полостями,
заполненными наноразмерными магнитными частицами. Ферритин — это биологическая
молекула, содержащая 25% железа по массе, состоящая из симметричной белковой
оболочки в форме полой сферы с внутренним диаметром 7,5 нм и внешним диаметром
12,5 нм. Эта молекула в биологических системах играет роль хранилища Fe3+ в
организме. Одна четверть железа, присутствующего в теле человека, находится в
молекулах ферритина, а 70% — в гемоглобине. Полость ферритина в нормальных
условиях заполнена кристаллическим оксидом железа 5Fe203 • 9Н20. Оксид железа из
окружающего раствора может попадать в полость молекулы, в которой количество
атомов железа может меняться от нескольких штук до нескольких тысяч. Магнитные
свойства молекулы зависят от количества и типа частиц в полости. Она может быть
как ферромагнитной, так и антиферромагнитной. Температура блокирования Тв - это
температура, ниже которой термоактивированные переходы между различными
магнитными ориентациями заморожены. Из рис. 1.9 видно, что температура
блокирования понижается, при уменьшении количества атомов в полости. При очень
низких температурах в ферритине наблюдалось и квантовое туннелирование. В
нулевом магнитном поле при температуре 0,2 К намагниченность когерентно
туннелирует между двумя минимумами. Этот эффект проявляется резонансной линией в
частотной зависимости магнитной восприимчивости. На рис. 1.10 показаны
результаты измерения резонансной частоты
Рис. 1.9. Зависимость температуры вымо¬раживания Тв от количества атомов железа
в полости ферритина.
Рис. 1.10. Резонансная частота ферритина f как функция количества атомов в
полости молекулы.
магнитнойвосприимчивости в зависимости от количества атомов железа в каждой
молекуле. Видно, что частота уменьшается с 3 • 108 Гц для 800 атомов до 106 Гц
для 4600 атомов. При включении внешнего магнитного поля резонанс исчезает, так
как симметрия двойной потенциальной ямы нарушается.
Цеолиты — это кристаллические силикаты с внутренними порами хоро¬шо определенных
размеров и формы. Эти материалы можно использовать как матрицу для помещения в
нее магнитных наночастиц. Измерения темпе¬ратурной зависимости магнитной
восприимчивости частиц железа, введенных в поры цеолита, демонстрируют их
парамагнитное поведение с зависимостью восприимчивости χ от температуры,
подчиняющейся закону Кюри: χ = С/Т, где С — константа. Признаков ферромагнетизма
в таком материале не наблюдается.