К теории динамической восприимчивости мягких магнитных коллоидов

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Теоретически рассмотрена кинетика перемагничивания наноразмерной ферромагнитной частицы в мягкой упруго-вязкой среде. В отличие от известных работ, мы рассматриваем одновременное действие неелевского механизма перемагничивания частицы (преодоления ее магнитным моментом потенциального барьера магнитной анизотропии) и вращения (поворота) тела частицы при изменении внешнего магнитного поля. Рассмотрен случай большой магнитной анизотропии частицы, т. е. предполагается, что ее энергия существенно превышает тепловую энергию системы и энергию взаимодействия частицы с магнитным полем. Других ограничений на напряженность поля не предполагается. Более подробно рассмотрен случай малых полей в линейном приближении зависимости намагниченности от поля. В рамках этого приближения рассчитаны компоненты комплексной восприимчивости композита. Показано, что реальная часть восприимчивости монотонно убывает с частотой поля. Если жесткость композита велика или мала, мнимая часть имеет один максимум, соответствующий неелевскому механизму перемагничивания или повороту частицы в упруго-вязкой среде соответственно. При промежуточных значениях жесткости композита частотная зависимость мнимой восприимчивости имеет два максимума.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. Ю. Зубарев

Уральский федеральный университет им. Б. Н. Ельцина

Email: Antoniusmagna@yandex.ru
Russian Federation, 620002, Екатеринбург, просп. Ленина, 51

Л. Ю. Искакова

Уральский федеральный университет им. Б. Н. Ельцина

Email: Antoniusmagna@yandex.ru
Russian Federation, 620002, Екатеринбург, просп. Ленина, 51

А. Ю. Мусихин

Уральский федеральный университет им. Б. Н. Ельцина

Author for correspondence.
Email: Antoniusmagna@yandex.ru
Russian Federation, 620002, Екатеринбург, просп. Ленина, 51

References

  1. Boczkowska A., Awietjan S.F. Tuning active magnetorheological elastomers for damping applications // Materials Science Forum. 2010. V. 636–637. P. 766–771. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.636-637.766
  2. Lopez-Lopez M.T., Scionti G., Oliveira A.C., Duran J.D., Campos A., Alaminos M., Rodriges I.A. Generation and characterization of novel magnetic field-responsive biomaterials // PLoS One. 2015. V. 10. № 7. P. e0133878. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0133878
  3. Bira N., Dhagat P., Davidson J.R. A review of magnetic elastomers and their role in soft robotics // Front. Robot. AI. 2020. V. 7. P. 588391. https://doi.org/10.3389/frobt.2020.588391
  4. Kurlyandskaya G.V., Blyakhman F.A., Makarova E.B., et al. Functional magnetic ferrogels: From biosensors to regenerative medicine // AIP Advances. 2020. V. 10. № 12. P. 125128. https://doi.org/10.1063/9.0000021
  5. Rajan A., Sahu N.K. Review on magnetic nanoparticle-mediated hyperthermia for cancer therapy // J. Nanopart Res. 2020. V. 22. P. 319. https://doi.org/10.1007/s11051-020-05045-9
  6. Vilas-Boas V. Magnetic hyperthermia for cancer treatment: Main parameters affecting the outcome of in vitro and in vivo studies // Molecules. 2020. V. 25. № 12. P. 2874. https://doi.org/10.3390/molecules25122874
  7. Lingbing L. Multifunctional Hybrid Nanogels for Medicine / in Handbook of Materials for Nanomedicine. eBook ISBN9781003045113. 2020. https://doi.org/10.1201/9781003045113.
  8. Chung H-J., Parsons A., Zheng L. Magnetically controlled soft robotics utilizing elastomers and gels in actuation: A Review // Adv. Intell. Syst. 2021. V. 3. № 3. P. 2000186. https://doi.org/10.1002/aisy.202000186
  9. Kaewruethai T., Laomeephol C., Pan Y. Luckanagul J. Multifunctional polymeric nanogels for biomedical applications // Gels. 2021. V. 7. № 21. P. 228. https://doi.org/10.3390/gels7040228
  10. Sung B., Kim M-H., Abelmann L. Magnetic microgels and nanogels: Physical mechanisms and biomedical applications // Bioeng. Transl. Med. 2021. V. 6. № 1. P. e10190. https://doi.org/10.1002/btm2.10190
  11. Imran M., Affandi A.M., Alam M.M., et. al. Advanced biomedical applications of iron oxide nanostructures based ferrofluids // Nanotechnology. 2021. V. 32. № 42. P. 422001. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac137a
  12. Naghdi M., Ghovvati M., Rabiee N., et al. Magnetic nanocomposites for biomedical applications // Advances in Colloid and Interface Science. 2022. V. 308. P. 102771. https://doi.org/10.1016/j.cis.2022.102771
  13. Socoliuc V., Avdeev M.V., Kuncser V., Turcu R., Tombácz E., Vékás L. Ferrofluids and bio-ferrofluids: Looking back and stepping forward // Nanoscale. 2022. V. 14. № 13. P. 4786–4886. https://doi.org/10.1039/D1NR05841J
  14. Montiel Schneider M.G., Martín M.J., Otarola J., et al. Biomedical applications of iron oxide nanoparticles: Current insights progress and perspectives // Pharmaceutics. 2022. V. 14. № 1. P. 204. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14010204
  15. Brown Jr W.F. Thermal fluctuations of a single-domain particle // J. Phys. Rev. 1963. V. 130. № 5. P. 1677. https://doi.org/10.1103/PhysRev.130.1677
  16. Марценюк М.А., Райхер Ю.Л., Шлиомис М.И. К кинетике намагничивания суспензий ферромагнитных частиц // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1973. V. 65. № 2. P. 834–841.
  17. Kalmykov Yu. The relaxation time of the magnetization of uniaxial single-domain ferromagnetic particles in the presence of a uniform magnetic field // J. Appl. Phys. 2004. V. 96. № 2. P. 1138. https://doi.org/10.1063/1.1760839
  18. Poperechny I.S., Raikher Yu.L., Stepanov V.I. Dynamic magnetic hysteresis in single-domain particles with uniaxial anisotropy // Phys. Rev. B. 2010. V. 82. № 17. P. 174423. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.174423
  19. Zubarev A. Yu. Magnetic hyperthermia in a system of immobilized magnetically interacting particles // Phys. Rev. E. 2019. V. 99. № 6. P. 062609. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.99.062609
  20. Ambarov A.V., Zverev V.S., Elfimova E.A. Numerical modeling of the magnetic response of interacting superparamagnetic particles to an ac field with arbitrary amplitude // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2020. V. 28. № 8. P. 085009. https://doi.org/10.1088/1361-651X/abbfbb
  21. Kreiser P., Holm C., Weeber R. Interplay between steric and hydrodynamic interactions for ellipsoidal magnetic nanoparticles in a polymer suspension // Soft Matter. 2023. V. 19. № 6. P. 1186–1193. https://doi.org/10.1039/D2SM01428A
  22. Odenbach S. Magnetoviscous Effect in Ferrofluids / Springer-Verlag, BerlinHeidelberg. 2002.
  23. Guibert C., Fresnais J., Peyre V., Dupuis V. Magnetic fluid hyperthermia probed by both calorimetric and dynamic hysteresis measurements // J. Magn. Magn. Mat. 2017. V. 421. P. 384–392. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.08.015
  24. Rodrigues H.F., Capistrano G., Bakuzis A.F. In vivo magnetic nanoparticle hyperthermia: A review on preclinical studies, low-field nano-heaters, noninvasive thermometry and computer simulations for treatment planning // Int. J. Hyperthermia. 2020. V. 37. № 3. P. 76–99. https://doi.org/10.1080/02656736.2020.1800831
  25. Lartigue L., Innocenti C., Kalaivani T., et al. Water-dispersible sugar-coated iron oxide nanoparticles. An evaluation of their relaxometric and magnetic hyperthermia properties // J. Am. Chem. Soc. 2011. V. 133. № 27. P. 10459–10472. https://doi.org/10.1021/ja111448t
  26. Tong S., Quinto C.A., Zhang L., Mohindra P., Bao G. Size-dependent heating of magnetic iron oxide nanoparticles // ACS Nano. 2017. V. 11. № 7. P. 6808–6816. https://doi.org/10.1021/acsnano.7b01762
  27. Rosensweig R.E. Heating magnetic fluid with alternating magnetic field // J. Magn. Magn. Materials. 2002. V. 252. P. 370–374. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(02)00706-0
  28. Blums E., Cebers A., Majorov M. Magnetic Fluids // Walter de Gruyter, Berlin, New York. 1997.
  29. Berkov D.V., Iskakova L. Yu., Zubarev A. Yu. Theoretical study of the magnetization dynamics of nondilute ferrofluids // Physcial Review E. 2009. V. 79. № 2. P. 021407. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.79.021407
  30. Ilg P., Odenbach S. Ferrofluid, Structure and Rheology in Colloidal Magnetic Fluids / Basics, Development and Application of Ferrofluids. Springer, Berlin Heidelberg. 2009. 249 p.
  31. Sharma A., Jangam A.A., Yung Shen J.L., et. al. Design of a temperature-feedback controlled automated magnetic hyperthermia therapy device // Front. Therm. Eng. 2023. V. 3. P. 1131262. https://doi.org/10.3389/fther.2023.1131262
  32. Włodarczyk A., Gorgon S., Radon A., Bajdak-Rusinek K. Magnetite nanoparticles in magnetic hyperthermia and cancer therapies: Challenges and perspectives // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 11. P. 1807. https://doi.org/10.3390/nano12111807
  33. Peiravi M., Eslami H., Ansari M., Zare-Zardini H. Magnetic hyperthermia: Potentials and limitations // Journal of the Indian Chemical Society. 2022. V. 99. № 1. P. 100269. https://doi.org/10.1016/j.jics.2021.100269
  34. Pan J., Xu Y., Wu Q., Hu P., Shi J. Mild magnetic hyperthermia-activated innate immunity for liver cancer therapy // J. Am. Chem. Soc. 2021. V. 143. № 21. P. 8116–8128. https://doi.org/10.1021/jacs.1c02537
  35. Liu X. Comprehensive understanding of magnetic hyperthermia for improving antitumor therapeutic efficacy // Theranostics. 2020. V. 10. № 8. P. 3793–3815. https://doi.org/10.7150/thno.40805
  36. Chang D., Lim M., Goos J., Qiao R., Ng Y.Y., Mansfeld F., Jackson M., Davis T., Kavallaris M. Biologically targeted magnetic hyperthermia: Potential and limitations // Front. Pharmacol. 2018. V. 9. P. 386237. https://doi.org/10.3389/fphar.2018.00831

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Illustration of a ferroparticle and the coordinate system used.

Download (95KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. A coordinate system with the polar axis directed along the particle's easy magnetization axis vector ν. The azimuthal angle is not shown for simplicity. Signs 1 and 2 denote the hemispherical potential regions discussed in the text.

Download (103KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of the factor A in (48.50) on the angle b, shown in Fig. 1 for three dimensionless elastic moduli of the supporting medium. Curves 1, 2, 3: g = 0, 0.5 and 1.5, respectively.

Download (60KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Real and imaginary parts of the complex susceptibility at tN = 10 τh (a) and (b): the angle β is equal to 0 and π/2, respectively; (c) are the components averaged over β, defined in (60). Curves 1, 2, 3 are the dimensionless elasticity coefficient g = 0.1, 0.5, 1.5, respectively.

Download (422KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dimensionless parameters ξ(β) and heat generation by a particle as functions of the field frequency. Symbols a, b, c and 1, 2, 3 mean the same as in Fig. 4.

Download (137KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Limit (ω → ∞) values ​​of ξ(β) and as functions of the dimensionless modulus of rigidity of the composite g. Curves 1 and 2 are the values ​​of ξ(β) at β = 0 and π/2, respectively; curve 3 is the average value.

Download (70KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences