자성 Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 나노 입자가 성공적으로 합성되고 물에 도입되어 수성 자성 유체를 제조했습니다. Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 입자는 평균 입자 크기가 15nm인 균질한 비정질 나노입자입니다. 비정질 나노 입자의 모양은 규칙적입니다. Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 비정질 나노입자는 초상자성입니다. 또한 Fe-B 및 Fe-Ni-B 비정질 나노 입자의 포화 자화는 75 emu/g 및 51 emu/g입니다. 이는 Co-B 나노입자보다 각각 약 2.8배 및 1.9배 더 큽니다. 비정질 자성유체의 점도는 외부 자기장에 강한 반응을 보입니다. 항복 응력은 자기장이 증가함에 따라 증가합니다. 비정질 자성유체에 대한 온열요법 연구를 먼저 조사하였다. 실험 결과에 따르면 Fe-B 자성유체와 Fe-Ni-B 자성유체의 가열 온도는 출력 전류가 300A일 때 각각 750초와 960초에 42°C로 증가할 수 있습니다. 온도는 61.6°C에 도달할 수 있습니다. Fe-B 자성유체의 경우. 비정질 자성유체의 가열 효율은 Fe-B 자성유체와 Fe-Ni-B 자성유체가 생물 의학 응용 분야에 큰 잠재력을 가질 수 있음을 보여줍니다.
자성 유체라고도 하는 자성 유체(FF)는 유기 용매, 물과 같은 유체 담체에 있는 자성 나노입자의 콜로이드 용액입니다[1,2,3,4,5]. 새로운 유형의 스마트 기능 재료로서 FF는 고유한 물리적, 화학적 및 생체적합성 특성을 제공합니다[6,7,8,9]. FF는 자기공명영상(MRI)[10] 및 표적 약물 전달[11], 상 분리[12], 수질 오염물질 제거[13] 및 감지[14]를 위한 생물의학에 적용되었습니다.
적용된 자기장에 의해 유도된 증가된 점도는 FF 적용에 영향을 미칩니다. 자기 점성 특성에 대한 연구는 적용된 자기장에서 시간, 온도, 전단 속도 또는 기타 요인의 함수로 FF의 점도 변화를 평가합니다[4, 15,16,17,18,19,20]. Rajnak[18]은 변압기 오일 기반 FF의 점도를 연구하고 전기장으로 인한 점도 변화가 자기 점성 효과와 유사하다는 것을 발견했습니다. Nowak[19]은 양 혈액으로 희석한 FF의 점도 변화를 조사했습니다. 그들은 강한 자기 점성 효과가 자기장으로 인한 미세 구조의 큰 변화를 가정하게 한다는 것을 발견했습니다. 이전 작업은 FF의 자기 거동을 고려하여 캐리어 매질과 계면활성제의 상당한 상호작용을 보여주었습니다[20]. FF의 자기점성 특성에 대한 연구는 초점으로 남아 있습니다. 비정질 합금은 비정질 준안정 원자 구조 및 저렴한 원료와 관련된 독특한 특성으로 인해 연료 전지 전극[21], 나노 다공성 물질[22], 생분해 물질[23] 등에 대한 유망한 미래를 가지고 있습니다[24]. ]. 다른 연구에 따르면 비정질 연자성 Fe 기반 합금은 결정질 합금에 비해 고유한 자기 특성으로 인해 자성 기능 유체를 준비하는 데 잠재적으로 큰 응용 분야를 가지고 있습니다[25]. Fe73.5 Nb3 Cu1 시13.5 B9 [26, 27] 및 Fe78 시9 B13 비정질 합금 입자가 자기유변학적 유체에 적용되었습니다. 그러나 기존의 기계적 밀링 방법을 통해 FF에 적용된 비정질 나노 입자를 제조하는 것은 어렵습니다. 우리 그룹은 FF에 적용된 Fe-Co-B[29] 비정질 나노입자뿐만 아니라 자성 Co-Fe-Si-B[28] 비정질 나노입자를 합성하고 조사했습니다. 이러한 데이터는 비정질 FF가 우수한 안정성을 나타냄을 보여줍니다. 그럼에도 불구하고 비정질 나노입자를 기반으로 하는 FF의 자기점성 특성에 대한 관심은 거의 없었다.
온열 요법은 암 치료의 초점이었으며 자성 유체 온열 요법(MFH 또는 FF 온열 요법이라고도 함)은 치료 절차입니다. FF는 암세포가 포함된 조직에 주입된 다음 주파수 교류 자기장에 노출되어 온도가 42–45°C까지 상승하여 종양 세포를 파괴합니다[30,31,32]. 중요하게는, FF의 나노입자는 독성이 없어야 합니다. 산화철(Fe3 O4 ) 또는 코발트 산화철(CoFe2 O4 ) 나노 입자는 간단한 처리, 저렴한 비용 및 우수한 생물학적 적합성으로 인해 자성 유체 온열 요법을 위한 FF를 준비하기 위해 널리 선택됩니다[33,34,35,36,37,38]. Lahiri[38]는 적외선 열화상 촬영을 사용하여 수성 FF의 교류 자기장 유도 가열을 연구했습니다. FF는 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드 코팅된 산화철 나노 입자를 포함합니다. 결과는 더 높은 초기 온도 상승률과 가열 기간이 끝날 때 더 낮은 최대 온도를 나타냅니다. Zubarev[39]는 단일 영역 강자성 입자 사이의 자기 상호 작용이 진동 자기장의 작용 하에 이러한 입자에 의해 생성된 온열 효과에 미치는 영향을 보고했습니다. 그러나 비정질 자성 나노입자 FF에 대한 온열요법 연구를 보고한 연구는 거의 없습니다.
본 논문에서는 화학적 환원법을 통해 자성 Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 비정질 나노입자 합성에 성공하였다. 비정질 나노입자의 구조, 형태 및 자기적 특성을 조사하였다. 해당 FF의 자기 점성 특성 및 온열 효과도 연구되었습니다. 자기적 특성과 두드러진 가열 효과의 관점에서, 의료 응용 분야에서 유망한 재료인 비정질 FF는 냉각 응용 프로그램, 에너지 변환 장치, 인쇄 전자 장치 등과 같은 신흥 영역에서도 기회를 제공할 수 있습니다.
황산제1철(FeSO4 •7H2 O), 염화코발트(CoCl2 •6H2 O), 염화니켈(NiCl2 •6H2 O), 수소화붕소나트륨(NaBH4 ), 수산화나트륨(NaOH), 에틸알코올, 한천, 폴리에틸렌글리콜(PEG-400)을 사용하였다. 모든 화학 물질은 분석 시약(AR) 등급이었고 추가 정제 없이 사용되었습니다. 각 실험 전에 모든 유리 제품을 묽은 질산으로 세척하고 탈이온수로 반복적으로 세척했습니다.
비정질 입자는 화학적 환원에 의해 제조되었다. 일반적인 공정에서는 일정량의 FeSO4를 용해하여 용액을 얻었습니다. •7H2 O 및 NiCl2 •6H2 O를 기계적 교반 및 초음파 분산과 함께 200ml의 50% 에탄올 용액에 넣습니다. 그런 다음 0.8 M NaBH4 50ml 보호 아르곤 환경 하에 3구 플라스크에 수용액을 20℃에서 1.5ml/min의 속도로 환원제로서 적가하였다. 여기서 NaOH 용액은 NaBH4의 pH를 조정하는 데 사용되었습니다. 10–12에 대한 솔루션입니다. 2.5시간 동안 초음파 분산으로 교반한 후, 자석을 사용하여 흑색 침전물을 분리하였다. 입자를 탈이온수로 여러 번 세척했습니다. 그 후, 적절한 0.075g 한천을 첫 번째 계면활성제로 첨가하고 0.05g PEG-400을 두 번째 계면활성제로 첨가했습니다. 이것을 일정한 온도에서 Fe-Ni-B 입자 현탁액에 넣었다. 혼합물을 일정한 온도에서 1시간 동안 교반했습니다. 마지막으로 실온으로 냉각한 후 안정한 Fe-Ni-B 비정질 수성 FF를 얻었다.
Fe-B 비정질 입자는 화학적 환원법, 즉 FeSO4의 환원을 사용하여 얻었다. •7H2 O NaBH4 사용 수용액에서 환원제로 사용. Co-B 비정질 입자는 CoCl2의 환원으로 얻어졌습니다. •6H2 오 솔루션. 상응하는 Fe-B 수성 FF 및 Co-B 수성 FF를 유사하게 얻었다.
자성 Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 비정질 나노입자의 구조 및 비정질 상태는 Ni-여과된 Cu Kα 방사선과 함께 D/max-Rb를 사용한 X선 회절(XRD) 측정으로 특성화되었습니다. 원천. 열적 특성은 20°C/min의 가열 속도에서 시차 주사 열량계(Netzsch DSC 404 C)로 특성화되었습니다. 비정질 나노입자의 자기적 특성은 상온에서 AGM(Alternating Gradient Force Magnetometer)으로 측정하였다. 비정질 나노입자의 형태는 투과전자현미경(TEM)을 통해 확인되었다. FF의 자기 점성 특성은 외부 제어 가능한 자기장이 장착된 레오미터(Anton Paar MCR301)로 연구되었습니다. 무정형 FF의 온열 효과는 그림 8a에 표시된 장치를 사용하여 연구되었습니다. 자기장 유도 가열 실험은 고주파 발생기와 수냉식 전해동 코일이 장착된 탱크 회로로 구성된 무선 주파수 유도 가열 시스템(AtecD, Bamac, China)을 사용하여 수행되었습니다. 실험은 90kHz의 고정 주파수에서 수행되었으며 코일 전류를 변경하여 자기장을 변경했습니다. 자기 가열 실험에서 온도를 기록하기 위해 정확도 0.1°C의 적외선 온도계(OSXL207, Omega, USA)가 사용되었습니다. 온도 측정의 오류는 1°C입니다. 실험 테스트는 실온에서 수행되었습니다.
그림 1은 각각 자성 Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 입자의 X선 회절(XRD) 패턴을 보여줍니다. Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 입자는 40°~50°의 2θ 범위에서 넓은 단일 피크로 구성되며 결정질 피크가 보이지 않는 비정질 구조의 특징입니다(그림 1 ). 결과는 Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 입자가 전형적인 비정질 구조를 가지고 있음을 나타냅니다.
<그림>
Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 입자의 XRD 패턴
Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 입자의 시차 주사 열량계(DSC) 곡선은 그림 2에 나와 있습니다. 실험은 20°C/min의 가열 속도로 수행되었습니다. Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 입자는 2단계 결정화 과정을 나타내는 2개의 발열 피크를 나타냅니다[40]. 두 개의 발열 피크의 온도가 그림 2에 표시되어 있으며, 이는 후속 작업에서 비정질 입자의 어닐링 온도를 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 결과는 XRD 데이터와 잘 일치합니다.
<그림>
Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 입자의 DSC 곡선
준비된 Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 입자의 자기 특성은 실온에서 AGM으로 특성화되었습니다. 자기 히스테리시스 곡선은 그림 3에 나와 있습니다. Fe-B 입자와 Fe-Ni-B 입자의 포화 자화(Ms)는 각각 75 emu/g 및 51 emu/g입니다. 또한 히스테리시스 곡선에서 보자력 및 잔류성이 관찰되지 않아 F-B 및 Fe-Ni-B 입자의 초상자성을 확인합니다. Co-B 입자의 Ms는 27emu/g입니다. 이 입자는 또한 초상자성 거동을 나타냅니다. 또한 Fe-B 및 Fe-Ni-B 입자의 Ms는 Co-B 입자보다 각각 약 2.8배 및 1.9배 더 큽니다. 또한 Fe-B 입자의 M이 Fe3보다 높음을 알 수 있습니다. O4 입자 및 CoFe2 O4 입자 [26]. 다양한 FF 샘플의 구조, 크기, 자화 및 농도는 표 1에서 볼 수 있습니다.
<사진>
Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 입자의 히스테리시스 곡선
다음으로 TEM을 사용하여 FF에서 비정질 입자의 형태를 조사했습니다(그림 4). FF를 희석한 다음 초음파에서 20분 동안 분산했습니다. 구리망으로 부착된 지지 필름을 희석된 FF에 침지시켰다. 시편은 오븐에서 30분 동안 건조시킨 후 잘 준비하였다. 그림 4의 TEM 이미지는 FF의 비정질 입자가 거의 구형임을 보여줍니다. 비정질 입자의 평균 평균 직경은 ~ 15nm입니다.
<그림>
Fe-B FF의 TEM 이미지(a ), Fe-Ni-B FF(b ) 및 Co-B FF(c )
1.8 wt%의 자성 입자를 포함하는 3개의 비정질 FF(Fe-B FF, Fe-Ni-B FF 및 Co-B FF)의 자기 점성 특성을 외부 제어 가능한 자기장이 있는 레오미터로 조사했습니다. 각 샘플의 점도는 25°C의 일정한 설정 온도에서 두 번 측정되었습니다. 샘플이 100에서 1000 1/s로 증가하고 1000에서 100 1/s로 감소하는 전단 속도 스위프의 한 주기를 거칠 때마다. 평균값은 동일한 전단속도에서 점도를 계산하여 구하였다. 서로 다른 외부 자기장 하에서의 비정질 FF의 점도-전단율 곡선을 로그 스케일로 나타내었다. 및 그림 5c)의 Co-B FF는 서로 다른 자기장에서 전단 광택 거동을 나타냅니다. 점도는 전단 속도가 증가함에 따라 감소합니다. Fe-B FF는 Fe-Ni-B FF 및 Co-B FF보다 점도가 높습니다. 이는 비정질 Fe-B 나노입자, Fe-Ni-B 나노입자, Co-B 나노입자의 Ms 때문입니다.
<그림>
Fe-B FF의 전단율 함수로서의 점도(a ), Fe-Ni-B FF(b ) 및 Co-B FF(c )
자기장은 또한 비정질 FF의 점도에 중요한 역할을 합니다. 점도는 그림 6에 자기장의 함수로 표시됩니다. 결과는 모든 비정질 FF의 점도가 외부 자기장이 증가함에 따라 증가함을 보여줍니다. 이것은 그림 5의 결과와 잘 일치합니다. FF의 자성 비정질 나노 입자는 자기장이 가해질 때 방향을 재배열했습니다. 자기장 방향으로 정렬되었습니다. FF에서 나노 입자의 상호 작용 및 배열은 자기장 강도가 증가함에 따라 더 강해졌으며, 이는 흐름 저항을 증가시켰습니다. 또한, 이전 보고서 [15, 41, 42, 43, 44, 45, 46]에 따르면 자기장이 증가함에 따라 사슬형 또는 방울형 구조 및 응집이 FF에서 형성될 수 있으며, 이는 점도의 현저한 증가를 초래합니다. . 그림 5에서 관찰된 전단 박화 거동은 이러한 사슬이 끊어지거나 전단으로 인한 낙하로 설명될 수 있습니다. 적용된 전단 속도가 증가하면 나노 입자는 전단 방향으로 배향을 정렬하기 시작합니다. 더욱이, 증가하는 전단 속도는 사슬 또는 방울과 같은 응집체를 파괴합니다. 결과적으로 FF 점도가 감소합니다.
<그림>
Fe-B FF에 대한 자기장의 함수로서의 점도(a ), Fe-Ni-B FF(b ) 및 Co-B FF(c )
FF의 항복 응력은 선형 외삽법을 통해 얻을 수 있으며 각 피팅 곡선의 절편은 해당 자기장에서 FF의 항복 응력으로 간주됩니다[27]. 따라서 서로 다른 자기장에서 3개의 비정질 FF의 항복 응력이 그림 7에 나와 있습니다. 이는 특히 비정질 Fe-B FF의 경우 자기 강도가 증가함에 따라 FF의 항복 응력이 증가함을 보여줍니다. 인가된 자기장 하에서 사슬형 또는 방울형 구조 및 응집체가 형성되기 때문이다. 비정질 나노입자 사이의 힘은 자력을 증가시키면서 더 강해진다. 이전 연구[47]는 비정질 FF의 항복 응력이 자성 비정질 나노입자의 자화로 인한 것임을 보여주었습니다.
<사진>
Fe-B FF, Fe-Ni-B FF 및 Co-B FF에 대한 자기장의 함수로서의 항복 응력
FF 온열요법은 안전성과 환자의 신체적 또는 정신적 부담이 제한적이기 때문에 매우 중요합니다[26, 48,49,50]. 이러한 고열은 교류(AC) 자기장의 가열 효과에 의해 유발됩니다. 우리는 Fe 기반 비정질 나노 입자, 즉 Fe-B FF 및 Fe-Ni-B FF를 사용한 FF의 온열 효과를 연구했습니다. 실험 장치의 개략도는 그림 8a에 나와 있습니다. 0.1°C의 정확도를 가진 IR 온도계는 자기 가열 실험에서 온도를 기록했습니다. 온도 측정 오류는 1°C입니다. 테스트는 실온에서 수행되었습니다. 자기 가열 실험은 150~300A 범위의 가변 출력 전류를 변경하여 수행했습니다. 그런 다음 50ml Fe-B FF 및 5wt%의 Fe-Ni-B FF를 연구했습니다. 실험 조건은 앞서 설명한 바와 같다[26]. 우리 실험에서 인덕션 히터의 작동 주파수는 90kHz였습니다. 작업 주파수는 50~100kHz로 생물의학 분야에 안전합니다[51].
<그림>
자기 가열 실험을 위한 실험 설정의 개략도(a ), 비정질 Fe-B FF의 가열 곡선(b ) 및 비정질 Fe-Ni-B FF(c)의 가열 곡선 )
자기 가열 결과는 그림 8b, c에 나와 있습니다. 도 8b의 Fe-B FF와 도 8c의 Fe-Ni-B FF의 온도는 시간이 지남에 따라 현저하게 증가하였다. 온도는 전기 출력 전류가 증가함에 따라 증가했습니다. 다양한 출력 전류에서 FF의 온도는 2000초에서 기록되었습니다(표 2 참조). 전기 출력 전류를 150A로 제어하면 온도가 Fe-B FF의 경우 32.5°C, Fe-Ni-B FF의 경우 32.6°C까지 상승할 수 있습니다. 출력 전류가 300A일 때 최종 안정 온도는 Fe-B FF 및 Fe-Ni-B FF에 대해 각각 61.6°C 및 51.2°C였습니다. Fe-B FF의 온열 효과의 가열 효율은 Fe-Ni-B FF보다 약 20.3% 더 높습니다(표 2). 온열요법 결과에 따르면 전류가 300A로 제어되었을 때 Fe-B FF와 Fe-Ni-B FF의 온도는 각각 750초와 960초에 42°C까지 상승할 수 있었습니다. 전자파 흡수율(SAR)은 장 보조 가열 곡선에서 계산할 수 있습니다[52, 53]. 우리 논문에서 물의 비열용량과 밀도는 4.18 J g −1 로 간주되었습니다. K −1 및 1g/cc입니다. SAR 값은 Fe-B FF의 경우 각각 21.91W/g 및 Fe-Ni-B FF의 경우 19.48W/g이었습니다. 출력 전류가 300A일 때 SAR 값은 Fe-B FF 및 Fe-Ni-B FF에 대해 각각 76.15W/g 및 69.97W/g였습니다. 가열 실험은 전기 전류는 무정형 FF의 고열에 영향을 미칩니다. 출력 전류를 조정하여 가열을 효과적으로 제어할 수 있습니다.
수성 FF의 가열 효과는 주로 Neel 이완(입자 내에서 자기 쌍극자 회전) 및 Brownian 이완 메커니즘(운반 유체의 유체 역학적 저항에 대한 입자 회전)에 기인합니다[54,55,56]. 도메인 이론에 따르면 단일 도메인의 임계 직경은 Fe, Co 및 Ni 나노 입자에 대해 각각 19.6nm, 19.2nm 및 42.4nm입니다[57]. 여기서 Fe-B 비정질 나노입자와 Fe-Ni-B 비정질 나노입자는 단일 도메인 구조를 가져야 한다고 가정한다. 자기 스핀은 열 에너지로 인해 외부 필드가 없는 상태에서 무작위로 정렬됩니다. AC 필드가 적용되면 단일 도메인은 AC 필드에 응답하여 자화 방향을 변경하고 자기 에너지는 동시에 열 에너지로 변환됩니다. 우리는 Fe-B 비정질 FF와 Fe-Ni-B 비정질 FF가 상당한 발열 효과를 가지고 있다는 결론을 내렸으며, 이는 Fe-B 비정질 FF와 Fe-Ni-B 비정질 FF가 온열 치료에 유망한 미래를 가지고 있음을 시사합니다.
자성 Fe-B, Fe-Ni-B 및 Co-B 비정질 나노입자와 해당 비정질 FF가 성공적으로 합성되었습니다. 나노 입자는 무정형 구조로 균질합니다. 비정질 입자의 모양은 규칙적입니다. Fe-B, Fe-Ni-B, Co-B 비정질 나노입자는 초상자성을 나타낸다. Fe-B 및 Fe-Ni-B 비정질 나노입자의 Ms는 75 emu/g 및 51 emu/g입니다. 이는 Co-B 나노 입자보다 각각 약 2.8배 및 1.9배 더 큽니다. 비정질 FF는 외부 자기장에 강한 반응을 보입니다. 항복 응력은 자기장이 증가함에 따라 증가합니다. 온열 요법 결과는 교류 출력 전류가 300A로 제어될 때 Fe-B FF와 Fe-Ni-B FF의 온도가 각각 750초와 960초에 42°C까지 상승할 수 있음을 나타냅니다. Fe-B FF의 최종 안정 온도는 62°C였습니다. 비정질 FF의 가열 효율은 Fe 기반 비정질 FF가 생물 의학 응용 분야에 큰 잠재력을 가지고 있음을 보여줍니다. 실제로, 무정형 FF의 자기점성 특성과 무정형 FF에 대한 고열 효과의 메커니즘에 대한 연구는 아직 명확하지 않으며 향후 작업을 자극할 것입니다.
교번 기울기 힘 자력계
시차주사열량계
자성유체
자성유체온열요법
포화 자화
비흡수율
투과전자현미경
X선 회절
나노물질
초록 ZnO 나노와이어는 넓은 밴드갭과 높은 여기자 결합 에너지로 인해 광전자 장치에서 매우 중요한 역할을 합니다. 그러나 1차원 나노와이어의 경우 큰 표면 대 부피 비율로 인해 표면 트랩 및 표면 흡착 종은 캐리어의 탈여기를 위한 대체 경로로 작용합니다. Ar 플라즈마 처리는 ZnO 나노와이어의 광학적 특성을 향상시키는 유용한 방법이다. 다른 에너지로 플라즈마 처리된 ZnO 나노와이어의 광학적 특성에 대한 연구가 필요하다. 여기에서 우리는 ZnO 나노와이어에 다양한 에너지로 플라즈마 처리를 조사하기 위해 레이저 분광법을 사용했습
초록 콜로이드 빌딩 블록의 조립을 통한 균일한 어레이 필름의 제조는 통합된 개별 및 집단 기능에 대한 실질적인 관심입니다. 여기에서 단일 귀금속 미소구체의 통합된 신호 감도와 조립된 균일한 어레이 필름의 재현성을 입증한 표면 강화 라만 산란(Surface-enhanced Raman scattering, SERS) 적용을 위해 단분산 귀금속 미소구체를 균일한 어레이 필름으로 구성하기 위한 자기 조립 경로가 제시되었습니다. . 이를 위해 단분산 다기능 Fe3 O4 @SiO2 @TiO2 빌딩 블록으로 @Ag(FOSTA) 콜로이드 미세구
