Способ измерения магнитных моментов однодоменных ферромагнитных наночастиц

Изобретение предназначается для измерения магнитных моментов однодоменных ферромагнитных наночастиц и может быть использовано для определения свойств магнитных жидкостей при их изготовлении и эксплуатации и для измерения термодинамической температуры в энергетических единицах без использования реперных точек абсолютной температурной шкалы.

Известен способ измерения магнитного момента наночастиц, основанный на измерении магнитного момента образца порошка наночастиц, вибрирующего вблизи радиочастотной катушки. Для создания магнитного момента образец помещается в сильное постоянное внешнее магнитное поле. Магнитный момент образца находят по ЭДС электромагнитной индукции, наводимой им в близко расположенной радиочастотной катушке, а средний магнитный момент наночастиц находят делением измеренного магнитного момента образца порошка на количество наночастиц в нем. Недостатки способа: 1. Он является относительным, так как ЭДС индукции зависит от геометрических параметров катушки и формы образца. 2. Он имеет невысокую точность, так как для определения намагниченности требуется проводить интегрирование ЭДС индукции, которое возможно только с точностью до произвольной постоянной. 3. Имеется погрешность, вносимая неопределенностью количества наночастиц в образце порошка. 4. Для создания в образце порошка магнитного момента, равного сумме магнитных моментов всех наночастиц, он должен быть помещен в магнитное поле с индукцией большей 1Тл, что усложняет реализацию способа. Способ описан в статье: (S. Foner, Rev. Sci. Instr. 27, 548 (1959).)

Известен способ измерения магнитного момента однодоменных наночастиц, основанный на получении кривой намагничивания их коллоидного раствора. В этом способе образец с коллоидным раствором наночастиц помещается во внешнее магнитное поле с индукцией В_o, которую можно менять. В образце имеются две плоские полости, в которые помещены два датчики для измерения магнитного поля. В полости, ориентированной нормально линиям индукции внешнего поля, расположен датчик 1, который измеряет индукцию магнитного поля В внутри образца, а в полости, ориентированной параллельно линиям магнитной индукции, расположен датчик 2, который измеряет напряженность магнитного поля Н внутри образца. Измерив В и Н, можно определить намагниченность магнитной жидкости: М=(В/μо)-Н. Определив намагниченность М и индукцию В при нескольких значениях индукции B_o и построив зависимость М от (1/В), по точке пересечения полученной прямой с осью ординат находят намагниченность насыщения М_нас, а по тангенсу угла наклона этой прямой к оси абсцисс находят концентрацию N наночастиц в растворе. Зная намагниченность насыщения и концентрацию наночастиц, находят магнитный момент наночастицы P=(M/N). Недостатки способа: 1. Способ точно измеряет намагниченность, а для определения магнитного момента наночастиц требуется находить их концентрацию, что приводит к дополнительной погрешности. 2. Получение кривой намагничивания - трудоемкий процесс. Способ можно принять за прототип. Он описан в статье (А.И. Жерновой, В.Н. Наумов, Ю.Р. Рудаков, Научное приборостроение, 2009, том 19, №1, с. 57-61).

Предлагаемый способ не имеет присущих аналогу и прототипу недостатков. В этом способе через коллоидный раствор исследуемых однодоменных ферромагнитных наночастиц пропускают луч электромагнитного излучения инфракрасного диапазона с длиной волны λ и находят резонансную длину волны этого излучения λ_рез, при которой наложение на раствор магнитного поля с индукцией В вызывает появление линии поглощения энергии излучения. Подставив измеренные значения В и λ_рез в формулу Р=(hc/2Вλ_рез)(h - постоянная Планка, с - скорость света), находят средний магнитный момент наночастиц Р.

Поглощение энергии электромагнитной волны при наложении магнитного поля происходит в результате явления магнитного резонанса ферромагнитных наночастиц, которое состоит в том, что при резонансной длине волны электромагнитного излучения λ_рез=(hc/2РВ) энергия фотона E=(hc/λ_рез) равна изменению энергии ΔW=2PB магнитного момента Р ферромагнитной наночастицы при его переориентации на 180° во внешнем магнитном поле с индукцией В: (E=ΔW). Под действием магнитного поля с индукцией В большинство магнитных моментов наночастиц устанавливаются в нижнее энергетическое состояние с ориентацией параллельной индукции магнитного поля В, а поглощая фотоны резонансного электромагнитного поля, эти магнитные моменты переходzт в верхнее энергетическое состояние с ориентацией против направления индукции магнитного поля. В результате, при наличии магнитного поля с индукцией В энергия электромагнитного излучения с резонансной длиной волны поглощается ферромагнитными наночастицами и интенсивность луча с длиной волны λ_рез уменьшается. При другом соотношении длины волны и индукции магнитного поля магнитный резонанс отсутствует и поглощение фотонов наночастицами не происходит.

Пример осуществления предлагаемого способа/ Для проверки предлагаемого способа был изготовлен коллоидный раствор наночастиц магнетита в растворителе, слабо поглощающем ИК излучение, (керосине) со стабилизатором на основе олеиновой кислоты. Раствор был помещен в кювету инфракрасного спектрофотометра PERKIN ELMER? и получены спектры пропускания в диапазоне волновых чисел от К=1000 см^-1 до К=5500 см^-1, один спектр без магнитного поля и три спектра при наличии действующего на магнитную жидкость магнитного поля с индукциями B₁=0,025 Тл, В₂=0,03 Тл, В₃=0,035 Тл. Из спектра пропускания, полученного без магнитного поля, вычли спектры пропускания, полученные при действии магнитного поля. В результате получили спектры поглощения магнитной жидкости, вызванные действием магнитных полей с индукциями В₁, В₂, В₃. На каждом из этих спектров была зарегистрирована линия поглощения с максимумом при волновом числе К_рез, значение которого увеличивалось при увеличении индукции В. При B=B₁ получили К_рез=1100 см^-1, при В=В₂ получили К_рез=1300 см^-1, при В=В₃ получили К_рез=1500 см^-1. Подставив в выражение для Р значения индукции В и полученные из спектров поглощения значения λ_рез=(1/К_рез), нашли средний магнитный момент наночастиц Р=(hcК_рез/2В)=4,3*10^-19Ам². Это значение соответствует полученному другими методами.