К теории динамической восприимчивости мягких магнитных коллоидов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

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.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Ю. Зубарев

Уральский федеральный университет им. Б. Н. Ельцина

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

Л. Ю. Искакова

Уральский федеральный университет им. Б. Н. Ельцина

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

А. Ю. Мусихин

Уральский федеральный университет им. Б. Н. Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: Antoniusmagna@yandex.ru
Россия, 620002, Екатеринбург, просп. Ленина, 51

Список литературы

  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

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Иллюстрация феррочастицы и используемой системы координат.

Скачать (95KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Система координат с полярной осью, направленной вдоль вектора ν оси легкого намагничивания частицы. Азимутальный угол не показан для простоты. Знаки 1 и 2 обозначают полусферические потенциальные области, обсуждаемые в тексте.

Скачать (103KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость множителя A в (48.50) от угла b, показанного на рис. 1 для трех безразмерных модулей упругости несущей среды. Кривые 1, 2, 3: g = 0, 0.5 и 1.5 соответственно.

Скачать (60KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Реальная и мнимая части комплексной восприимчивости при tN = 10 τh (a) и (б): угол β равен 0 и π/2 соответственно; (в) – усредненные по β компоненты , определенные в (60). Кривые 1, 2, 3 – безразмерный коэффициент упругости g = 0.1, 0.5, 1.5 соответственно.

Скачать (422KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Безразмерные параметры ξ(β) и генерации тепла частицей как функции от частоты поля. Значки а, б, в и 1, 2, 3 означают то же, что на рис. 4.

Скачать (137KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Предельные (ω → ∞) значения ξ(β) и как функции от безразмерного модуля жесткости композита g. Кривые 1 и 2 – значения ξ(β) при β = 0 и π/2 соответственно; кривая 3 – усредненное значение .

Скачать (70KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024