CC BY
29НАНОЗАРРАЛАРНИ ХОСИЛ ЦИЛИШ ВА УЛАРНИНГ МАГНИТ
ХОССАЛАРИ
У. Р. Рустамов Ш. П. Бегзатова К. Х. Маликов
Чирчик давлат педагогика Чирчик давлат педагогика Чирчик давлат педагогика институти доценти институти укитувчиси институти укитувчиси
AННОТАЦИЯ
Ушбу маколада нанозарраларни хосил килиш, уларнинг физикавий ва химиявий хоссалари, уларни нанотехнологияларда куллаш имкониятлари шархланган. Шунингдек, магнит нанозарраларнинг хакида замонавий тасаввурларни берилган.
Kaлит сузлар: нанозарра, нанотехнология, наноматериал, кристалл, дефектлар, магнетик, ферромагнит, магнит кластер.
CHARACTERISTICS OF APPLICATION OF MAGNETIC NANOPARITS IN
MEDICINE
U. R. Rustamov
Associate Professor of Chirchik State Pedagogical Institute [email protected]
Sh. P. Begzatova
Teacher of Chirchik State Pedagogical Institute of Tashkent Region
К. Х. Malikov
Teacher of Chirchik State Pedagogical Institute of Tashkent Region
ABSTRACT
This article discusses the formation of nanoparticles, their physical and chemical properties, the possibility of their application in nanotechnology. It also gives modern insights into magnetic nanoparticles.
Keywords: nanoparticles, nanotechnology, nanomaterial, crystal, defects, magnetic, ferromagnetic, magnetic cluster.
ЕИРИШ
Хрзирда фан ва техниканинг хамма сохаларида нанотехнология(НТ)лар ривожланмокда ва кулланилмокда. Физика ва химияда илмий прогресс, наноулчамли махсус зарраларни синтезлаш технологиялари имкониятларини кучайтириб, наноматериаллар(НМ)ни куллаш имконини беради. Шунингдек, уларнинг турли сохаларда фаол кулланилиши кузатилади. Шунингдек, хар-бир инсоннинг барча фаолият сохалари наноолам билан богликдир. НТ - фаннинг энг
перспектив ривожланувчи тармогидир. Бу соха буйича маълумотларнинг(илмий публикациялар, патентлар, монографиялар) купайиши, шундан далолат беради. Шунингдек, бу сохада илмий - тадкикотлар учун сарфланаётган харажатлар микдори ошмокда.
Х,аёт ва даволаниш сифатини кутариш масаласи, нанобиотехнологияларнинг ривожи, нанореактивлар, янги дориларни ишлаб чикиш, барвакт диагностикада НМнинг кулланилиши, наномедицинанинг ривожи билан хам хал этилади. Бунда НТлар ривожининг асосий йуналишлари: хирургик ва стамотологик инструментлар яратиш, диагностика ва наносенсорлар, наноформакология хисобланади. НМларнинг кулланилиши, дори моддаларнинг тукима ичига манзилли етказиш, онкологик касалликларни барвакт ва аник диагностикалаш технологиялари ривожи, инструментларни нанозарра(НЗ)лар билан коплаш, остеосинтез учун пластин, янги микробларга карши препаратларни(вакцина, нанодори) яратиш учун долзарб хисобланади. Хрзирда наносомалар -липидларнинг бир ёки бир неча катламлари билан копланган, наноулчамли зарралар яратилмокда. Бундай шакл, уларни препаратларни етказиш учун хафвсиз ва ишончли воситага айлантиради.
Хрзирги вактда НЗларнинг уникал физикавий хоссалари(сиртий ва квант эффект хисобидан юзага келадиган), тадкикотларнинг объекти хисобланади. Бу уринда НЗларнинг магнит характеристикалари алохида урин тутади. Бунда компакт магнит материал ва мос НЗлар уртасидаги фарк энг куп аникланган ва кузатиладиган эффектларни тушунтира оладиган назарий асослар яратилган.
1930 - йилларда кичик улчамли доимий магнитни кандай химиявий элементлар ва метод асосида яратиш мумкинлиги, бу майда магнетиклар ва номагнит мухитда таксимланган материални хосил килиш муаммолари буйича назарий ва экспериментам тадкикотлар амалга оширилган. Охирги йилларда магнит НМлар сохасида катта узгаришлар содир булди. Бу авваламбор, наноулчамли магнит зарраларни хосил килиш ва уларни стабилизациялашнинг эффектив методларини ишлаб чикиш, НЗларни тадкик килишнинг физикавий методлари ривожланиши билан богликдир. Металл ёки оксидли НЗни феррисуюкликлар ва каттик матрицалар холатида хосил килиш имкониятига эга булинди. Бундай материаллар базасида бир катор уникал физикавий эффектлар(гигант магнит каршилик, аномал магнитокалорик эффект ва хк.) кузатилган. НЗ холатида магнит материалларнинг асосий характеристикалари(туйиниш магнитланиш, коэрцитив куч ва хк.) кийматлари хажмли мос материалникига нисбатан катта булади.
AДАБИЁТЛАР ТАХЛИЛИ ВА МЕТОДОЛОГИЯ
Углерод НМлар фулеронлар ва нанотрубкаларга булинади. Нанотрубкалар бир деворли, куп деворли, тугри чизикли ва и-симон шаклда булиши мумкин. Хрзирда карбон нанотрубканинг электр характеристикаларидан келиб чикиб, улар бошка НЗларга нисбатан купрок кулланилади. Бундай зарра узининг сиртида купгина нукталарга эга булиб, бу нукталарга дори моддаси молекуласини бириктириш мумкин[1]. Улчами 5-60 нм булган темир оксиди, мис, рух, кумуш, олтин ва титан НЗлардан иборат НМдан дори моддаларни керакли сохаларга максадли етказишда куллаш перспектив хисобланади[2]. Олтин копланган НЗлар алохида группани ташкил этиб, улар диэлектрик ядро ва металнинг юпка катламли сферик кобикдан иборат. Бундай НЗлар, узининг оптик ва химиявий хоссалари буйича, келажакда терапевтик максадлар ва биомедицина визуализацияда кулланилиши мумкин [2].
2010 йилда наноматериал тушунчаси ISO/TS8004 ракам билан унификация килинди. Унга кура, наноматериалларга 1-100 нм улчамли НЗлар киради. НМлар: нанообъектлар ва наноструктурали материалларга булинади. Нанообъектлар эса, НЗлар(3D, сферик) ва нанотола(2D)дан иборат. Нанотолалар эса, наностержен ва ва нанотрубкалардан иборат[3]. НЗлар номенклатураси, "нано" бирикмаси асосидаги материалларнинг химиявий таркибига асосланади. Лекин таъкидлаш керакки, бунда зарранинг улчами ва шакли ифодаланмайди. Шунингдек, бу номенклатура бир хил таркибли модда учун хам нокулайдир(масалан, углерод бирикмлари)[4].
НМларни яратишда 2 та ёндашув мавжуддир. Бу ёндашувлар шартли равишда "юкори-паст" ва "паст-юкори" технологиялар деб аташ кабул килинган. "Юкори-паст" ёндашув, моддани керакли улчамли заррачаларгача майдалашга асосланган. "Паст-юкори" технология гояси - талаб килинадиган тартибдаги улчамли элементлар(атом, молекула ва х.к.)лардан НМ яратишдир. 2 - метод кийин булсада, у перспектив хисобланади[5]. Таъкидлаш керакки, "паст - юкори" технологиялар асосида материални йигиш ёки модданинг узини ташкил этиш хусусияти табиатда таркалган. Хрзирда тадкикотлар шуни курсатадики, НМлар узини хосил килишга мойил экан. НТ методлари уникал механик, оптик, магнит, термик ва химиявий хоссали янги материалларни хосил килишга имкон беради[8,9]. Бу материаллар биологик объектлар билан контактда булганда, уларнинг уникал биологик хоссалари намоён булади[1,2]. НЗларнинг хоссалари, уларнинг масса ёки хажм бирлигига мос сирт юзининг ортиши билан боглик[6]. Нанообъектларнинг ноодатий хоссаларини тушунтирувчи, 1981 йилда Г. Глейтер томонидан ишлаб чикилган концепцияда, булиниш сиртлари етакчи урин эгаллайди[7].
Металларнинг куп сонли кристаллардан иборатлилиги, яъни поликристаллиги исботланган. Поликристалл металда кристаллар тугри формага ва атомлар идеал тугри жойлашувига эга булмайди. Уларда кристал тузилишининг турли дефектлари мавжуд булиб, улар металнинг хоссаларига катта таъсир этади. Кристалнинг ушбу дефектлари турлари: нуктали, чизикли ва сиртий номукаммалликлар. Нуктали номукаммалликлар, 3 та геометрик улчов буйича кичик булади. Нуктавий дефектлар, металларнинг баъзи физикавий хоссалари(электр, магнит ва х.к.)га сезиларли таъсир этади ва металл котишмаларнинг фазавий утишларига таъсир этади. Чизикли дефектлар, 2 та улчов буйича кичик ва 3 - улчов буйича катта булади. Бу дефектлар -дислокация дейилади. Дислокация зичлиги сезиларли равишда, материалнинг пластиклиги ва мустахкамлигини аниклайди. Сирт дефектлар 1 та улчов буйича кичик ва 2 та улчов буйича катта булади. Уларга кристаллит ва мозаика блоклар чегаралари тааллуклидир.
Чегара сирти микдори бир катор факторларга, хусусан НЗларни яратиш технологияларига богликдир. Лекин бунда исботландики, улчам камайганда, сирт юзаси микдори ортади. Бу холат ортикча сиртий эркин энергиянинг хосил булишига олиб келади[8]. Айнан ушбу факт билан НЗларнинг улчами билан боглик эффектлар тушунтирилади. Яъни модданинг физикавий ва химиявий хоссаларининг узгариши, ушбу узгаришлар натижаси хисобланади:
1. Зарра улчамининг бевосита камайиши.
2. Булиниш чегараси хоссаларининг, НЗлар системаси хоссаларидаги улуши.
3. Зарра улчамининг физикавий узунлик параметрлари билан бир тартибийлиги. Бу параметрларга магнит доменлари улчами, электронларнинг эркин югуриш йули, яримутказгичларда экситон улчами каби катталиклар киради. Зарралар улчами 100 нмдан кам булганда бундай эффектлар юзага келиб, улчами 10 нм дан кам булганда бундай эффектлар аникрок намоён булади.
Квант улчамли эффектлар, модданинг электрон хоссаларига ва электрон газ параметрлари улчамининг камайиши билан богликдир. Бу холат электрон газнинг энергетик спектри узгаришига олиб келади. Модда физикавий ва химиявий хоссаларига зарра улчамининг таъсирини, моддага таъсир этувчи сиртий босим мавжудлиги билан тушунтириш мумкин. Зарра улчамига тескари булган бу босим, Гиббс энергиясининг ортишига олиб келади. Бунинг окибатида, НЗ устида туйинган буг босими ортишига, суюклик кайнаш ва каттик жисм эриш температурасининг пасайишига олиб келади. Бошка термодинамик характеристикалар(мувозанат доимийси, стандарт электрон потенциали) хам узгаради. Улчам эффекти гетероген катализда кенг таркалган. Куп холларда,
каттарок зарралар актив булмаган холатларда, НЗлар каталитик активликни намойиш этади.
Глейтер концепцияси, НМларни урганиш учун асос хисобланади. Бу концепция, НЗларнинг янги хоссалари хисобидан аниклашиб ва кенгайиб бормокда. Шунингдек, электронлар кучишининг кинетикасини нанодаражада улчаш амалга оширилган. Бунда НЗ улчами билан боглик булган, электронларнинг кинетик тезланиши каби хакикий наноэффект кузатилган[9]. НЗларнинг сиртий электронлари, НЗлар хоссаларига катта таъсирга эга. Маълумки, металл сиртидаги электронлар, коллектив тебранма харакатланади. Бу тебранишни кайд килиш учун квазизарра - плазмонлар тушунчаси киритилган. Бу зарраларнинг электромагнит нурланиш фотонлари билан таъсирлашиши, "плазмон резонанси"ни юзага келтиради. Бу холатда НЗлар плазмонлар манбаи булиб хизмат килади ва атроф - фазода электромагнит майдонни сезиларли кучайтириш мумкин. Бунда сирт юзаси, плазмон резонанс тулкин узунлиги, НЗ улчами ва шаклига боглик[10]. Квант эффектлар эса, улчами 10 нмдан кичик булган зарраларга кузатилиб, улчами 100 нмдан катта булган зарралар учун эса, сирт энергия хакида анъанавий тушунчалар уринлидир[11,12].
МУХОКАМА
Номагнит каттик диэлектрик матрицада бир-биридан изоляцияланган магнит НЗ(3-30 нм)дан ташкил топган материалнинг хоссалари [13,14] ишда ифодаланган. Унда НЗлар мавжудлиги ва уларнинг таркиби, кичик бурчакли рентген сочилиши ва Мессбуэр спектроскопияси методлари оркали урнатилган. Кейинчалик бу намуналар замонавий методлар билан кайта тадкик килинди ва олдинги ишлардан олинган натижалар тасдикланди[15]. Хрзирда каттик матрицаларнинг НЗ химияси ва физикаси етарлича яхши ривожланган, мос компакт материал ва НЗ учун, бир катор физикавий параметрлар буйича фундаментал фарклар аник урнатилган. Курсатилдики, НЗларда атом магнитланиш ва магнит анизотропия, массив намунага нисбатан сезиларли катта, Кюри ва Неел температураларда фарк 100 °С ташкил этиш мумкин. Бошкача айтганда, НЗларнинг улчами, шакли, таркиби ва тузилишини узгартириб, улар асосидаги материалларнинг магнит характеристикаларини узгартириш мумкин.
Буларнинг хаммаси НМларни, информацияни ёзиб олиш ва саклашга мулжалланган перспектив системаларда, янги доимий магнитларни яратиш, магнит совутиш системаларда, магнит сенсорлар яратиш учун фойдаланиш мумкинлигини курсатади. Маълумотни магнит ёзиб олиш технологиясининг замонавий холати ва перспектив амалий томонлари хакида [16] ишда ифодаланган. Хрзирда маълумотни магнит ёзиб олиш мухити сифатида
ишлатиладиган диск ёки магнит ленталарда, у — Ре203, Со — у — Ре203, Fe ёки Fe — Со таркибли микрон улчамли порошоклар ишлатилади. 1 бит информация ёзиб олиш учун, 109 та атомдан фойдаланилади. 10 нм улчамли НЗ таркибида эса 103 — 104 атом мавжуддир. НЗ магнит хоссаларининг макроскопик улчамли материалникидан фаркини куйидагича ифодалаш мумкин:
1. Куп доменли объектлар(> 1 мкм) - Кюри температурасидан паст температурада спонтан магнитланиш содир булади. Домен структура пайдо булиши натижасида, намунанинг натижавий магнит моменти камаяди.
2. Оралик соха(50^1000 нм) - намунанинг магнит характеристикалари, уни тайёрлаш технологиясига боглик булади.
3. Бир доменли магнит зарралар(1^30 нм) - Изоляцияланган зарралар учун ТБ - блокировка температураси шкаласида 2-характерли нукта мавжуд булиши мумкин. Кюри температурасидан паст температурада спонтан магнитланиш содир булади. Домен структура пайдо булиши натижасида, намунанинг натижавий магнит моменти камаяди. Паст ТБ температурада, ташки магнит майдон мавжуд булмаганда, зарраларнинг магнит майдони фазода уз йуналишини узгартирмайди. Иссиклик флуктуацияси унинг йуналишини узгартирмайди. Зарралар туплами магнит гистерезисни намойиш килади. Юкори ТБ температурада, магнит зарра суперпарамагнит холатга утиб, спонтан магнитланиш ва магнит моментга эга булади. Узаро таъсирлашувчи зарралар учун бутун туплам буйлаб тартибланиши мумкин(спин шиша каби). Бундай намунада атомлар сони ~6 • 1023 дан кам булмайди. Эътиборга олиш керакки, модданинг магнит хоссаларига ташки шароит(температура, босим, зарранинг локал атроф-мухити) таъсир этади. Элементнинг магнит табиати хам мухим хисобланади. Бир-хил улчамли кобальт(Со) ва гадолиний(Gd) зарранинг магнит хоссалари турлича булиши мумкин.
НАТИЖА
Х,еч булмаганда битта ферромагнит компонентани уз ичига олган бирикмаларда, концентрация флуктуацияси хисобидан магнит кластерлар(атомлар уртасида ферромагнит узаро таъсир кучли булган соха) пайдо булиши мумкин. Юкори температураларда бундай бирикмалар, суперпарамагнит зарралар бирлашмаси каби булади. Агар кластерлар орасидаги узаро таъсир ферромагнит характерда булса, паст температураларда оддий ферромагнит утиш содир булади. Агар магнит кластерлар, "спин шиша" даги алохида магнит моментлар холатида булса, температура пасайганда, кластерлар магнит моментларининг хаотик ориентациялари сакланади. Бундай магнит табиатли
системалар миктомагнетиклар(mictomagnets) ёки кластер шишалар деб аталади. Кластерли шиша хоссалари, уни тайёрлаш шароити ва иссиклик ишлов беришга кучли боглик булади. Улар учун юкори температурали ва магнит гистерезис катта колдик магнитланиш, магнит хоссалар кайтмаслигининг бошка эффектлари характерлидир [17].
XУЛОСА
НМнинг уникал механик, термик, магнит, оптик, термик ва химиявий хоссалари, НЗнинг сирт хоссалари билан боглик. Зарранинг хажмига нисбатан, унинг сирт юзасининг ортиши, зарра геометрик улчамининг электронлар эркин югуриш йули билан бир тартибда булиши, НЗ заряди ва сирт энергиясининг узгаришига олиб келади. Бунда сирт характеристикалари НЗ улчами ва формасига, шунингдек, НЗларни синтезлаш технологияларига боглик булиб, уларнинг узгариши ночизикли хисобланади.
Магнит НЗлар табиатда кенг таркалган ва купгина биологик объектларда учрайди. Масалан, юкори тартибли, квази бир улчамли магнит НЗларнинг магнит бактерияларда мавжуддир. Улар Ер магнит майдонида бактерияларнинг ориентацияси имкониятини таъминлаш каби мухим функционал урин тутади. Юкорида билдирилган фикрлар, турли соха мутахассисларнинг магнит НЗларга булган кизикиш учун асос булади. Ушбу шархнинг вазифаси, НЗларни уларни хосил килиш ва стабилизацияси, турли курилмалар ва приборларни яратиш учун уларни нанотехнологияларда куллаш имкониятини эътиборга олиб, магнит НЗ химияси ва физикаси хакида замонавий тасаввурларни беришдир.
REFERENCES
1. Бюлопчш аспекти наномедицини / I. С. Чекман, В. Ф. Шаторина, О. О. Савенкова [та т.] // Вюник проблем бюлогп i медицини. - 2011. - № 4. - С. 31-36.
2. Чекман I. С. «Зелеш» нанотехнологп й нанопродукти: досягнення та перспективи дослщжень / I. С. Чекман // Наука та шновацп. - 2011. - Т. 7, № 1. -С. 26-32.
3. International Organization of Standardization: Nanotechnologies— Terminology and Definitions for Nano-Objects, ISO/TS 27687:2008(E). ISO. - Geneva ; Switzerland, 2008.
4. ASTM International: E 2456-06 Terminology for Nanotechnology. ASTM International. - West Conshohocken, USA, 2008.
5. Klaessig F. Current Perspectives in Nanotechnology Terminology and Nomenclature / F. Klaessig, M. Marrapese, S. Abe // Nanotechnology Standards. Nanostructure Science and Technology. - 2011. - P. 21-52.
6. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию / Н. Кобаяси; пер. с япон. - 2-е изд. -М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. - 134 с.
7. Bio-synthesis of gold nanoparticles by human epithelial cells, in vivo / E. Larios-Rodriguez, A. Rangel-Ayon, S. J. Castillo [et al.] // Nanotechnology. - 2011. - Vol. 22, N 35. - Р. 67-68.
8. Vera B. Zon. Photo-induced growth of DNA-capped silver nanoparticles / Vera B. Zon, Glenn A. Burley, Ulrich Rant// Nanotechnology. - 2011. - Vol. 23, N 11 - Р. 4546.
9. Сажин В. Б. Основы материаловедения / В. Б. Сажин. - М. : Теис, 2005. - 155 с.
10. Плазмонный резонанс в наноструктурах сереброникель / А. В. Смирнов, А. Л. Иванов, В. Д. Кочаков, А. И. Васильев // Вестник Чувашского университета. -2010. -№ 3. - С. 15-18.
11. Selective Cell Targeting with Light-Absorbing microparticles and Nanoparticles / C. M. Pitsillides, E. K. Joe, X. Wei [et al.] // Biophisical Jornal. - 2003. - Vol. 84, N 6. -P. 4023-4025.
12. Русанов А. И. Удивительный мир наноструктур / А. И. Русанов // Журнал общей химии. - 2002. - Т. 72,
13. В.П.Пискорский, Г.А.Петраковский, С.П.Губин, И.Д.Кособудский. Физ. тверд. тела, 22, 1507 (1980)
14. С.П.Губин, И.Д.Кособудский. Успехи химии, 52, 1350 (1983)
15. S.P.Gubin, Yu.I.Spichkin, G.Yu.Yurkov, A.M.Tishin. Russian Journal of Inorganic Chemistry, 47, suppl. 1, 32 (2002)
16. K.O'Grady, R.L.White, P.J.Grundy. J. Magn. Magn. Mater., 177-181, 886 (1998)
17. Ю.В.Ракитин, В.Т.Калинников. Современная магнетохимия. Наука, С.-П., 1994.
