Μέχρι τη νανοκλίμακα - Εφαρμογές

Τα σιδηρορευστά μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για την ανίχνευση της παρουσίας καρκινικών κυττάρων στο αίμα όσο και για την απομάκρυνσή τους. Η παρουσία καρκινικών κυττάρων στο αίμα σε συγκεκριμένα επίπεδα αποτελεί ένδειξη της πιθανότητας εξάπλωσης του καρκίνου που ονομάζεται μετάσταση. Τα κύτταρα στο αίμα μπορούν να φορτωθούν με μαγνητικά νανοσωματίδια προκαλώντας συγκρούσεις μεταξύ των κυττάρων και των νανοσωματιδίων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με την έγχυση ενός σιδηρορευστού στην κυκλοφορία του αίματος και την εφαρμογή μιας δύναμης στα σωματίδια χρησιμοποιώντας μια βαθμίδα εξωτερικώς εφαρμοζόμενου πεδίου.

Η παρουσία των μαγνητικών επισημασμένων καρκινικών κυττάρων μπορεί να ανιχνευθεί περνώντας τα κύτταρα μέσα από μια στήλη που περιβάλλεται από μαγνήτες όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Καθώς το αίμα ρέει μέσω της στήλης, τα κύτταρα που περιέχουν τα μαγνητικά σωματίδια προσελκύονται από τους μαγνήτες και κολλάνε στα τοιχώματα της στήλης. Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση καρκινικών κυττάρων και την απομάκρυνσή τους από το αίμα. Τα καρκινικά κύτταρα στα τοιχώματα μπορούν να ανιχνευθούν με διάφορες φασματοσκοπικές μεθόδους όπως η μικροσκοπία ατομικής δύναμης και η μαγνητομετρία.

Πηγή κειμένου: Physics of Magnetic Nanostructures, First Edition. Frank J. Owens, Inc. Published by John Wiley & Sons, Inc., 2015.

Τα μαγνητικά νανοϋλικά παρουσιάζουν ενδιαφέρον σε εφαρμογές ετερογενούς κατάλυσης λόγω της ευκολίας διαχωρισμού και της δυνατότητας επαναχρησιμοποίησής τους. Οι τιμές της μαγνήτισης κόρου των μαγνητικών νανοσωματιδίων εξαρτώνται κυρίως από το μέγεθος τους και επιφανειακά φαινόμενα. Σε μικρά μαγνητικά νανοσωματίδια, ο σχηματισμός τοιχωμάτων μαγνητικών περιοχών αντιστοιχεί σε  μια κατάσταση υψηλής ενέργειας και τα σωματίδια συσσωματώνονται εύκολα σε μεγαλύτερων διαστάσεων σχηματισμούς. Για να αποφευχθεί η συσσωμάτωση, τα μαγνητικά νανοσωματίδια επικαλύπτονται με διαφορετικά κελύφη (π.χ. διοξείδιο του πυριτίου, άνθρακα, μέταλλο, οξείδιο μετάλλου και πολυμερές) για να τα απομονώσουν από εξωτερικά περιβάλλοντα. Λόγω της μεγάλης επιφάνειας των μαγνητικών νανοσωματιδίων, πολλά ενεργές ουσίες μπορούν να επικολληθούν στην επιφάνεια για να ενισχύσουν την καταλυτική δραστηριότητα.

Πολλές οργανικές ενώσεις είναι σημαντικά χημικά αντιδραστήρια και ενδιάμεσα στην οργανική σύνθεση. Μέχρι σήμερα, πολλά καταλυτικά συστήματα έχουν αναπτυχθεί για να διευκολύνουν τη μετατροπή των αντιδρώντων σε προϊόντα-στόχους. Παρά την υψηλή αποτελεσματικότητα, οι ομοιογενείς καταλύτες παρουσιάζουν δυσκολία στο διαχωρισμό, γεγονός που περιορίζει τις εφαρμογές τους σε μεγάλη κλίμακα. Διάφοροι τύπου μαγνητικών νανοσυνθέτων, συμπεριλαμβανομένων των σφαιρικών, διμεταλλικών, τυπικών MNPs πυρήνα-κελύφους, των πολυπύρηνων MNPs που είναι ένθετα σε δομές πυρήνα-κελύφους, των νανοσύνθετων MNP−διοξειδίου του πυριτίου, των σφαίρων διοξείδιου του πυριτίου με MNPs και των MNPs που ενθυλακώνονται σε μεσοπορώδη υλικά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να καταλύσουν διαφορετικές αντιδράσεις σχήμα). Τα μαγνητικά μεταλλικά οξείδια (όπως Fe₃O₄, MnFe₂O₄ και CoFe₂O₄ ) και τα κράματα μετάλλων (όπως το CoPt₃ και το FePt) διαθέτουν συγκεκριμένες μαγνητικές ιδιότητες που καταγράφονται από τον κύκλο μαγνήτισης σε βρόχο υστέρησης και έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία στην ετερογενή κατάλυση. Επιπλέον, τα υβριδικά MNPs έχουν προσελκύσει επί του παρόντος μεγάλη προσοχή λόγω της λειτουργικότητας των υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κατάλληλα φορείς με υψηλή επιφάνεια για την ακινητοποίηση ενεργών ειδών και μπορούν να επικαλυφθούν από C, διοξείδιο του πυριτίου, μέταλλο, οξείδιο μετάλλου και πολυμερές για να σχηματίσουν μια δομή πυρήνα-κελύφους

Πηγή κειμένου: ACS Appl. Nano Mater. 2019, 2, 4681−4697

Η γονιδιακή διανομή είναι μια αναντικατάστατη προσέγγιση σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρμογές όπως η γονιδιακή θεραπεία, η μηχανική βλαστικών κυττάρων και η γονιδιακή επεξεργασία.  Πρόσφατα, τα μαγνητικά νανοσωματίδια (MNPs) έχουν λάβει αυξανόμενη προσοχή για τη χρήση τους στην προώθηση της αποτελεσματικότητας της διανομής γονιδίων. Υπό μαγνητική καθοδήγηση, η αποτελεσματικότητα της γονιδιακής διανομής με τη χρήση ιικών ή μη ιικών γονιδιακών φορέων θα μπορούσε να ενισχυθεί καθολικά. Εκτός αυτού, τα μαγνητικά νανοσωματίδια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού ή θεραπεία μαγνητικής υπερθερμίας, Έχουν γίνει προσπάθειες για τον συνδυασμό μαγνητικών νανοσωματιδίων (MNPs) τόσο με ιικούς όσο και με μη ιικούς γονιδιακούς φορείς. Ένα εξωτερικώς εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο (EMF) προωθεί σημαντικά την κυτταρική πρόσληψη των γονιδιακών φορέων που περιέχουν MNP in vitro και να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα της πρόσληψη σε στοχευμένους ιστούς / όργανα in vivo. Τα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου (SPIO), τα οποία διαθέτουν καλή βιοσυμβατότητα και υπερπαραμαγνητισμό, είναι ιδανικά υλικά για την παρασκευή γονιδιακών φορέων με βάση τα MNPs. Σε σύγκριση με άλλα συστήματα γονιδιακής διανομής, τα MNPs διαθέτουν μοναδικά πλεονεκτήματα

για τη διαδικασία ταχείας επιμόλυνσης, τη μαγνητική στόχευση, την απομόνωση/τοποθέτηση των μολυσμένων κυττάρων και τη μοριακή απεικόνιση. Με την εφαρμογή πεδίου, τα MNPs επιταχύνουν την κινητική της γονιδιακής μετάγγισης και αυξάνουν  την ανάμειξη γονιδίων στα κύτταρα. Η μείωση των δόσεων και του χρόνου επιμόλυνσης από τα MNPs οδηγεί σε λιγότερες παρενέργειες από την υπερβολική έκθεση των φορέων παράδοσης γονιδίων παρέχοντας επιπλέον θεραπευτικές ευκαιρίες.

Πηγή κειμένου: J. Mater. Chem. B, 2021, 9, 4267–4286

Τα νανοδιαμάντια είναι νανοσωματίδια άνθρακα με κατατετμημένη οκταεδρική δομή που έχουν διάμετρο περίπου 2-8nm και μπορούν να  αξιοποιηθούν σε ένα ευρύ φάσμα θεραπευτικών διεργασιών, συμπεριλαμβανομένων μικρών μορίων, πρωτεϊνών και νουκλεϊνικών οξέων.  Μεταξύ άλλων  συστημάτων νανοσωματιδίων, το νανοδιαμάντια (nanodiamonds: NDs) αποτελούν ένα πολλά υποσχόμενο υποψήφιο σε πολυλειτουργικές εφαρμογές λόγω των επιφανειακών, ηλεκτροχημικών και οπτικών ιδιοτήτων τους και της διαθεσιμότητας σε διάφορα μεγέθη, της επιφανειακής διαμόρφωσης και, το πιο σημαντικό, της αποδεδειγμένης βιοσυμβατότητας. Τα μαγνητικά νανοδιαμάντια (Μagnetic Nanodiamonds: MNDs) μπορούν να συνδυάσουν τις ιδιότητες και τα πλεονεκτήματα των NDs και των μαγνητικών νανοσωματιδίων.  Ο πιο διαδεδομένος τρόπος προετοιμασίας των MNDs είναι o εμπλουτισμός με μαγνητικά άτομα. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις, τέτοια NDs μπορεί να παρουσιάσουν κάποιο επίπεδο κυτταροτοξικότητας και να μην είναι βιοσυμβατά.  Όσον αφορά τις μαγνητικές ιδιότητες του διαμαντιού γενικά, η καθαρή δομή διαμαντιού συνδυάζει διαμαγνητικές και παραμαγνητικές συνεισφορές, αλλά σε μια ενδιάμεση δομή γραφίτη-διαμαντιού μπορούν να δημιουργηθούν οι συνθήκες για την ταξινόμηση των μαγνητικών ροπών και να εμφανιστούν μαγνητικές αλληλεπιδράσεις.  Μαζί με τον μαλακό σιδηρομαγνητισμό των NDs, η ενισχυμένη απόκριση φθορισμού σε διεγέρσεις ενός ή δύο φωτονίων μπορεί να επιτευχθεί. Αξιοποιώντας τον συνδυασμό μαγνητικών και φθοριζουσών χαρακτηριστικών των μαγνητικά τροποποιημένων NDs, μπορούν να επιτευχθούν απεικόνιση φθορισμού, απεικόνιση φθορισμού FLT (fluorescence life time imaging) και χειρισμός κυττάρων από το μαγνητικό πεδίο.Oι νέες προοπτικές που ανοίγονται με τη χρήση των μαγνητικών NDs για την διανομή φαρμακευτικής αγωγής, το μαγνητικό διαχωρισμό κυττάρων και τη διήθηση, στη εμβιομηχανική πειρλαμβάνουν τον έλεγχο της κυτταρικής κατανομής σε συνδυασμό με απεικόνιση και θεραπεία ανοίγουν.

Πηγή κειμένου: DOI: 10.1117/1.JBO.23.9.091404, Doi: https://doi.org/10.1038/nnano.2011.209

Οι μαγνητικές νανοδομές έχουν βρει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στην αποθήκευση πληροφοριών, την διανομή φαρμακευτικής αγωγής, τη μαγνητική υπερθερμία, τον διαχωρισμό των κυττάρων και τη μαγνητική ψύξη. Οι μαγνητικά σκλήρες νανοδομές χρησιμοποιούνται για την προετοιμασία συγκολλημένων μαγνητών, μέσα αποθήκευσης πληροφορίας και εφαρμογές μικροηλεκτρομηχανικών συστήημάτων (MEMS). Οι αυτοοργανωμένες διατάξεις νανοσωματιδίων FePt είναι πιθανοί υποψήφιοι για αποθήκευση δεδομένων υψηλής πυκνότητας. Οι μαγνητικά μαλακές νανοδομές χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικές διακόπτες κοινής λειτουργίας, μετασχηματιστές υψηλής συχνότητας, μαγνητικούς αισθητήρες, διατάξεις μαγνητικής θωράκισης και για οδήγηση ροής σε μόνιμους μαγνήτες.

Η δόμηση στη νανοκλίμακα αξιοποιείται για τη μείωση των μαγνητικών απωλειών ελέγχοντας την ανισοτροπία και τις απώλειες δινορρευμάτων. Οι μαγνητικοί βιοαισθητήρες με βάση τα νανοσωματίδια έχουν χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση νουκλεϊνικών οξέων, πρωτεϊνών, ενζύμων και ιών. Όταν τα μαγνητικά νανοσωματίδια αλληλοεπιδρούν με στόχους σε μοριακό επίπεδο, μεταβαίνουν από τη διάσπαρτη διάταξη σε ομαδοποιήσεις (ή το αντίστροφο). Αυτό αλλάζει τον μαγνητικό συντονισμό του διαλύτη. Αυτή η αλλαγή της μαγνητικής αφηρέμησης  μπορεί να ανιχνευθεί για να χαρακτηρίσει τους προσαρτημένους μοριακούς στόχους.

Πηγή κειμένου: Handbook of Nanomaterials, R. Vajtai, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013.

Μαγνητική Υπερθερμία Σωματιδίων: MPH (εναλλακτικά ονομάζεται ως υπερθερμία μαγνητικού ρευστού: Magnetic Fluid Hyperthermia: MFH) είναι η περιφερειακή, μαγνητικά προερχόμενη, απελευθέρωση θερμότητας λόγω της παρουσίας MNPs σε καρκινική περιοχή. Οι πρώτες προσπάθειες, να ενσωματωθούν μακροσκοπικά μαγνητικά εμφυτεύματα ως γεννήτριες θερμότητας, χρονολογούνται από τη δεκαετία του 1950, ενώ σταδιακά, υλικά νανοκλίμακας όπως τα MNPs χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα για την παράδοση θερμικού φορτίου σε συγκεκριμένες περιοχές. Τα MNPs παράγουν θερμότητα σε ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο ως αποτέλεσμα των απωλειών υστέρησης και/ή αφηρέμησης (Néel/Brown) απωλειών, με αποτέλεσμα τη θέρμανση του ιστού στον οποίο συσσωρεύονται τα MNPs. Με την ανάπτυξη ακριβών μεθόδων σύνθεσης, υπάρχουν MNPs με λειτουργικές επιφάνειες, οι οποίες έχουν υψηλό βαθμό επιλεκτικότητας στον καρκίνο, έχουν αναπτυχθεί ως φορείς θερμότητας στη μαγνητική υπερθερμία. Επιπλέον, υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για τη μαγνητική υπερθερμία ως τρόπο θεραπείας του καρκίνου, ειδικά όταν συνδυάζεται με άλλες πιο παραδοσιακές θεραπευτικές προσεγγίσεις όπως η ταυτόχρονη χορήγηση αντικαρκινικών φαρμάκων ή η φωτοδυναμική θεραπεία. Η τρέχουσα εξέλιξη της μαγνητικής υπερθερμίας επικεντρώνεται σε μεγάλο βαθμό σε δύο πτυχές, δηλαδή τη σύνθεση των νανοσωματιδίων (όπου η επαναληψιμότητα και η επεκτασιμότητα είναι σταθερά δύσκολο να επιτευχθούν) και τα όργανα που απαιτούνται για την εφαρμογή εξωτερικών πεδίων για τη δημιουργία της μαγνητικής υπερθερμίας και για τη μέτρηση της προκύπτουσας εναπόθεσης θερμότητας στους ιστούς. Όσον αφορά τις αντίστοιχες διατάξεις, η μεγάλη πλειοψηφία των ιατροτεχνολογικών προϊόντων είναι ειδικά κατασκευασμένα για δοκιμές in vitro ή ακόμη και για προκλινικές δοκιμές in vivo. Υπάρχουν ήδη συσκευές κλινικής κλίμακας από τις εταιρίες όπως η Magforce GmbH (Βερολίνο) και η Resonant Circuits Ltd (Λονδίνο). Η ενσωμάτωση των MNPs στα πρωτόκολλα υπερθερμίας έχει πολλά πλεονεκτήματα. Πρώτον, είναι ένα ήπιο, λιγότερο επεμβατικό σχήμα, καθώς οι συχνότητες και οι εντάσεις των μαγνητικών πεδίων που χρησιμοποιούνται γενικά περνούν ακίνδυνα μέσα από το σώμα.

Επιπλέον, η απόδοσή του καθοδηγείται αποτελεσματικά και εξωτερικά, ενώ η διανομή τους μπορεί να καθοδηγηθεί σε κυτταρικό επίπεδο. Δεύτερον, τα MNPs μπορούν να στοχεύσουν τον καρκίνο μέσω ειδικών δεσμευτικών παραγόντων, καθιστώντας τη θεραπεία πολύ πιο επιλεκτική και αποτελεσματική. Δεδομένου ότι τα MNPs έχουν μεγέθη της τάξης των μερικών δεκάδων νανομέτρων, μπορεί να βρουν εύκολη διέλευση σε διάφορους όγκους των οποίων τα μεγέθη πόρων είναι σε εύρος 380-780 nm. Επιπλέον, συγκεκριμένα MNPs μπορούν επίσης να διασχίσουν αποτελεσματικά τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό (BBB) και, ως εκ τούτου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη θεραπεία όγκων του εγκεφάλου. Τρίτον, με τη δυνατότητα απόκτησης σταθερών κολλοειδών χρησιμοποιώντας MNPs, μπορούν να χορηγηθούν μέσω διαφόρων οδών χορήγησης φαρμάκων. Σε σύγκριση με τα μακροσκοπικά εμφυτεύματα, τα MNPs παρέχουν πολύ πιο αποτελεσματική και ομοιογενή θεραπεία. Τέταρτον, η θεραπεία υπερθερμίας με βάση το MNPs μπορεί να προκαλέσει αντικαρκινική ενεργοποίηση του ανοσοποιητικού συστήματος ενώ μπορεί να εμφανιστεί ως κλάδος πολυθεραπευτικών προσεγγίσεων για τη θεραπεία πολλών ασθενειών. Για παράδειγμα, ένας πολυλειτουργικός συνδυασμός MPH με άλλους βοηθητικούς τοξικούς παράγοντες (κυρίως ακτινοβόληση ή φάρμακα χημειοθεραπείας) συχνά επιτυγχάνει σημαντικά πιο επιτυχημένη βλάβη των καρκινικών κυττάρων όπου οι απομονωμένες θεραπείες αποδεικνύονται αναποτελεσματικές.

Η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) είναι αναμφίβολα η πιο σημαντική και καθιερωμένη κλινική εφαρμογή του μαγνητισμού στην ιατρική. Τρία βραβεία Νόμπελ έχουν απονεμηθεί γι' αυτό, στη χημεία και την ιατρική. Υπάρχουν περίπου 20.000 μαγνητικοί τομογράφοι εγκατεστημένοι σε νοσοκομεία παγκοσμίως, και περίπου 100 εκατομμύρια εξετάσεις πραγματοποιούνται κάθε χρόνο. Η τεχνική συνδυάζει τον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR) με εξελιγμένη επεξεργασία σήματος για να δώσει δισδιάστατες τομογραφικές εικόνες ή τρισδιάστατες όψεις ενός στερεού αντικειμένου, συνήθως ενός μέρους του ανθρώπινου σώματος. Η ανάλυση βασίζεται στον συντονισμό ₁H. Η ακτινοβολία ραδιοσυχνοτήτων απορροφάται σε συχνότητα που αντιστοιχεί στην πυρηνική διάσπαση Zeeman των πρωτονίων στο σώμα. Περίπου το 63% των ατόμων στο ανθρώπινο σώμα είναι υδρογόνο, κυρίως σε λίπος και νερό.

Η διάταξη αποτελείται από έναν κατάλληλα διαμορφωμένο μαγνήτη, που παράγει ένα εξαιρετικά ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο, ένα σύνολο τρισδιάστατων πηνίων βαθμίδας και πηνίων ραδιοσυχνοτήτων για να διεγείρει και να ανιχνεύσει τον συντονισμό. Οι μαγνήτες είναι συνήθως υπεραγώγιμα σωληνοειδή, ψύχονται με υγρό ήλιο ή κρυοαστάτη, που παράγουν πεδία 1.0-1.5 T. Τα υψηλότερα πεδία 3 T ή περισσότερο παρέχουν βελτιωμένη ανάλυση και αντίθεση. Τα συστήματα μόνιμων μαγνητών είναι απλούστερα, αλλά ογκώδη και περιορίζονται σε πεδία περίπου 0.4 T.

Οι σκιαγραφικοί παράγοντες απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού (RI) κατηγοριοποιούνται σύμφωνα με τα ακόλουθα ειδικά χαρακτηριστικά: χημική σύνθεση, συμπεριλαμβανομένης της παρουσίας ή της απουσίας μεταλλικών ατόμων, οδός χορήγησης, μαγνητικές ιδιότητες, επίδραση στην εικόνα μαγνητικού συντονισμού, εφαρμογές βιοκατανομής και απεικόνισης. Η πλειοψηφία αυτών των παραγόντων είναι είτε παραμαγνητικά σύμπλοκα ιόντων είτε υπερπαραμαγνητικά σωματίδια μαγνητίτη και περιέχουν στοιχεία της σειράς των λανθανίδων όπως γαδολίνιο (Gd³⁺) ή μεταβατικό μετάλλο όπως μαγγάνιο (Mn²⁺). Αυτά τα στοιχεία μειώνουν το χρόνο αφηρέμησης  T₁ ή T₂, προκαλώντας έτσι αυξημένη ένταση σήματος σε Τ₁ σταθμισμένες απεικονίσεις ή μειωμένη ένταση σήματος σε Τ₂ σταθμισμένες απεικονίσεις.

Πηγή κειμένου: 10.3892/ijmm.2016.2744

Οι νανοαισθητήρες είναι βιολογικά, χημικά ή χειρουργικά αισθητήρια σημεία που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά πληροφοριών σχετικά με τα νανοσωματίδια στον μακροσκοπικό κόσμο. Οι χρήσεις τους εξυπηρετούν κυρίως διάφορους ιατρικούς σκοπούς και πύλες για την κατασκευή άλλων νανοπροϊόντων, όπως κυκλώματα υπολογιστών που λειτουργούν σε νανοκλίμακα και νανορομπότ. Ένα από τα πρώτα παραδείγματα εργασίας ενός συνθετικού νανοαισθητήρα κατασκευάστηκε από ερευνητές στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Γεωργίας το 1999. Περιλάμβανε την προσάρτηση ενός μόνο σωματιδίου στο άκρο ενός νανοσωλήνα άνθρακα και τη μέτρηση της δονητικής συχνότητας του νανοσωλήνα τόσο με όσο και χωρίς το σωματίδιο. Πρόσφατα, ένας μεγάλος αριθμός έργων αναφέρθηκε στη σύνθεση μαγνητικών νανοσωματιδίων (MNPs) λόγω των συγκεκριμένων πλεονεκτημάτων τους, για παράδειγμα, του χαμηλού κόστους σύνθεσης, των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών και των μεγεθών τους. Τα MNPs εμφανίζουν βέλτιστες επιδόσεις σε μέγεθος 10-20 nm λόγω της υπερμαγνητικής συμπεριφοράς τους που τους καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλα για τη λήψη γρήγορων αποκρίσεων κάτω από εφαρμοσμένα μαγνητικά πεδία. Εκτός αυτού, τα MNPs παρουσιάζουν υψηλή δυνατότητα μεταφοράς μάζας και μεγάλο λόγο επιφάνειας προς όγκο. Η σύνθεση των MNPs σχεδιάζεται με σκοπό την απόκτηση NPs με κατάλληλα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά που εξαρτώνται από το μέγεθος.

MNPs με ελεγχόμενη επιφάνεια και κατάλληλες φυσικοχημικές ιδιότητες έχουν μελετηθεί σε ειδικές συνθήκες για πολλές εφαρμογές που περιλαμβάνουν βιοαισθητήρες, αισθητήρες, μηχανική ιστών, απεικόνιση, επισήμανση κυττάρων, μαγνητική υπερθερμία, απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού, θεραπεία ασθενειών, φιλτράρισμα νερού, επεξεργασία λυμάτων και χορήγηση φαρμάκων. Επιπλέον, τα MNPs θεωρούνται χρήσιμα για την ανάπτυξη της σταθερότητας και της ευαισθησίας των συσκευών αισθητήρων για την ανίχνευση πολυάριθμων αναλυτών σε περιβαλλοντικές, τροφικές και κλινικές εφαρμογές.

Οι προσεγγίσεις ανίχνευσης που βασίζονται σε MNPs παρέχουν οφέλη όσον αφορά τα αναλυτικά επιτεύματα, για παράδειγμα, τον χρόνο ταχείας ανάλυσης, την υψηλή αναλογία σήματος προς θόρυβο, το χαμηλό όριο ανίχνευσης (DL) και τη βελτιωμένη ευαισθησία σε σύγκριση με τις τεχνολογίες που δεν βασίζονται σε MNPs. Τα MNPs χρησιμοποιούνται απευθείας σε εφαρμογές σήμανσης σε αισθητήρες, καθώς ενσωματώνονται στο εσωτερικό τους. Τα MNPs κατανέμονται εντός του υλικού χρησιμοποιώντας ένα εξωτερικά μαγνητικό πεδίο στην ενεργή επιφάνεια ανίχνευσης των αισθητήρων ή των βιοαισθητήρων. Οι βιοαισθητήρες και οι αισθητήρες με MNPs βασίζονται σε μαγνητικό πεδίο, πιεζοηλεκτρικό, οπτικό και ηλεκτρικό ρεύμα ως διαδικασίες ανίχνευσης. Οι αισθητήρες μαγνητοαντίστασης  στηρίζονται στην κλασσική μαγνητοαντίσταση των σιδηρομαγνητικών υλικών ή των μαγνητικών/σιδηρομαγνητικών ετεροδών.  Το αναλυτικό σήμα, το οποίο είναι μεταβολές στην ηλεκτρική αντίσταση υπό εξωτερικώς εφαμορμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Κατά συνέπεια, αναλυτικά σήματα εμφανίζονται ακόμη και από ασθενικές διακυμάνσεις στα μαγνητικά πεδία ενώ διαμορφώνονται από αυτά στην περιοχή του νανοαισθητήρα όπως φαίνεται στο σχήμα.  Για καλύτερη ανίχνευση μαγνητοαντίστασης η ποιότητα των MNPs είναι πολύ σημαντική. Ως εκ τούτου, οι τέλειοι ανιχνευτές θα ήταν SPM και θα παρουσίαζαν υψηλή ευαισθησία και μεγάλες μαγνητικές ροπές, ώστε να εμφανίζουν μαγνητίσεις κάτω από μικρά μαγνητικά πεδία.

Πηγή κειμένου:https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819870-4.00009-8

Η μελέτη των μαγνητικών υλικών, ιδιαίτερα των υμενίων από νανομαγνητικά υλικά, καθοδηγείται από τον στόχο να αυξηθεί ο αποθηκευτικός χώρος σε μαγνητικές συσκευές αποθήκευσης, όπως οι σκληροί δίσκοι στους υπολογιστές. Ο βασικός μηχανισμός αποθήκευσης πληροφοριών περιλαμβάνει την ευθυγράμμιση της μαγνήτισης σε μια κατεύθυνση μιας πολύ μικρής περιοχής στη μαγνητική ταινία που ονομάζεται bit. Για να επιτευχθεί αποθήκευση 10 gigabits/in², το ένα μόνο bit θα πρέπει να έχει μήκος περίπου 1 μm και πλάτος 70 nm, ενώ το πάχος του θα μπορούσε να είναι περίπου 30 nm. Οι υπάρχουσες συσκευές μαγνητικής αποθήκευσης, όπως οι σκληροί δίσκοι, βασίζονται σε μεμονωμένα στρώματα κρυστάλλων με μεγέθη στη νανοκλίμακα από κράματα χρωμίου κοβαλτίου, όπως το CoPtCrTa. Το αριστερό σχήμα  δείχνει μια εικόνα μικροσκοπίου μαγνητικών δυνάμεων ενός τυπικού στρώματος σκληρού δίσκου.

Υπάρχει μια έντονη ερευνητική προσπάθεια για την αύξηση της χωρητικότητας αποθήκευσης των σκληρών δίσκων. Για να επιτευχθεί αυτό, απαιτούνται μικρότερα σταθερής συμπεριφοράς νανοσωματίδια που έχουν υψηλό συνεκτικό πεδίο, χαμηλή μαγνήτιση κόρου και αμελητέα μαγνητική σύζευξη μεταξύ των σωματιδίων.

Η αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων μπορεί να μειωθεί με την επίστρωσή τους με ένα μη μαγνητικό υλικό. Η προσπάθεια μείωσης του μεγέθους των σωματιδίων των κραμάτων CoPtCrTa προκειμένου να αυξηθεί η ικανότητα αποθήκευσης είχε ως αποτέλεσμα τα μεγέθη σωματιδίων να μειωθούν στα 8-10 nm. Αυτό είναι κοντά στο μέγεθος όπου τα σωματίδια γίνονται υπερπαραμαγνητικά. Σε αυτό το μέγεθος, η θερμική ενέργεια σε θερμοκρασία δωματίου, kT, είναι κοντά στη μαγνητική ενέργεια ανισοτροπίας, πράγμα που σημαίνει ότι τα σωματίδια μπορούν να υποστούν θερμική διακύμανση και να διαταραχθούν με αποτέλεσμα την απώλεια αποθηκευμένων πληροφοριών. Τρέχουσες προσπάθειες για την αύξηση της χωρητικότητας αποθήκευσης επικεντρώνονται στην εύρεση σωματιδίων που έχουν υψηλότερες μαγνητικές ενέργειες ανισοτροπίας. Ένα υποψήφιο υλικό είναι το FePt. Έχει μια ολοεδρικά κεντρωμένη τετραγωνική κρυσταλλική δομή που απεικονίζεται στο δεξί σχήμα. Η δομή αποτελείται από δισδιάστατα επίπεδα ατόμων σιδήρου (βέλη στο σχήμα) μεταξύ επιπέδων ατόμων Pt. Ο εύκολος άξονας μαγνήτισης των μαγνητικών ροπών είναι παράλληλος με τον τετραγωνικό  άξονα C. Το FePt έχει μια πολύ μεγάλη σταθερά ανισοτροπίας, K, που είναι περίπου 50-100 φορές μεγαλύτερη από τα κράματα CoPtCrTa. Αυτό σημαίνει ότι πολύ μικρότερα σωματίδια της τάξης των 3.0 nm μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα στρώματα του σκληρού δίσκου.

Πηγή κειμένου: Physics of Magnetic Nanostructures, First Edition. Frank J. Owens, Inc. Published by John Wiley & Sons, Inc., 2015.

Ο καθαρισμός του νερού με νανοσωματίδια είναι ένας μάλλον δύσκολος τομέας της τεχνολογίας, ο οποίος καθορίζεται από μια σειρά περιορισμών που σχετίζονται με (i) τις χαμηλές συγκεντρώσεις ρύπων προς επεξεργασία, (ii) τα εξαιρετικά χαμηλά όρια ρύθμισης που πρέπει να επιτευχθούν μετά την επεξεργασία και (iii) την ανάγκη να διασφαλιστεί η απουσία νανοσωματιδίων σε τελικά προϊόντα: «καθαρό» νερό και ροές αποβλήτων. Γενικά, η υψηλή απόδοση πρόσληψης έναντι ανόργανων (βαρέων μετάλλων) και οργανικών (φυτοφαρμάκων, μικροοργανισμών, φαρμακευτικών) ρύπων μπορεί να πραγματοποιηθεί με ανόργανα νανοσωματίδια για κάθε περίπτωση, τα οποία είτε λειτουργούν ως άμεση ενεργός φάση (διασκορπισμένα στο νερό ή προσκολλημένα σε μια στερεή μήτρα) είτε ως φορέας στον οποίο φορτώνεται μια άλλη δραστική φάση ή μόριο. Ωστόσο, πέρα από την προσπάθεια ανάπτυξης βελτιστοποιημένων νανοσωματιδίων με υψηλή χημική συγγένεια με τους ρύπους του νερού, ο διαχωρισμός των χρησιμοποιημένων νανοσωματιδίων από το φιλτραρισμένο ρεύμα νερού θα πρέπει να θεωρείται εξίσου σημαντικό εγχείρημα του σχεδιασμού της διεργασίας. Ενδεικτικά, όσον αφορά τις μεγάλες ποσότητες νανοσωματιδίων που πρέπει να αφαιρεθούν σε συστήματα μεγάλης κλίμακας με διασπορά σωματιδίων, το κόστος για τον διαχωρισμό των σωματιδίων μπορεί να είναι το κυρίαρχο ζήτημα εάν εφαρμοστεί ένα τυπικό βήμα νανοδιήθησης. Για να ξεπεραστεί το ζήτημα της ανάκτησης νανοσωματιδίων μετά την εφαρμογή τους στον καθαρισμό του νερού, οι διαδικασίες μαγνητικού διαχωρισμού (δηλαδή η μαγνητοφόρεση) παρουσιάζουν έναν πιο εξελιγμένο τρόπο που υπόσχεται ελάχιστο χημική ή φυσική αλληλεπίδραση με επεξεργασμένο νερό, πολύ χαμηλό κόστος, ολική ανάκτηση νανοσωματιδίων και πολλαπλές επιλογές για το σχεδιασμό της διαδικασίας. Η μαγνητοφόρεση  είναι αξιοποιήσιμη λόγω του γεγονότος ότι πολλά από τα προσβάσιμα νανοπροσροφήματα αποτελούνται από φάσεις με υψηλή μαγνητική απόκριση (οξείδια σιδήρου, σίδηρος μηδενικού σθένους) ενώ τα μαγνητικά νανοσωματίδια μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν ως υποστρώματα για άλλες ενεργές φάσεις.

Πηγή κειμένου: Nanoscale Materials in Water Purification. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813926-4.00026-4

Ενδιαφέροντα κυκλώματα spintronic με διαμήκη μνήμη κατασκευασμένη από μαγνητικές περιοχές μέσα σε νανοσύρματα αποτελούν σήμερα μία από τις τελευταίες συσκευές αποθήκευσης που διερευνώνται  διεξοδικά. Τα νανοσύρματα βρίσκονται οριζόντια ή κάθετα σε υποστρώματα πυριτίου, ενώ οι μαγνητικές  περιοχές που περιέχονται στα νανοσύρματα αποθηκεύουν κομμάτια δεδομένων. Οι περιοχές μετακινούνται γρήγορα κατά μήκος των διαδρομών από παλμούς ηλεκτρικού ρεύματος. Τα μαγνητικά πεδία που προέρχονται από το τοίχωμα μαγνητικής περιοχής τομέα ορίζουν την κατεύθυνση μαγνήτισης στη μονάδα πληροφορίας (bit). Έτσι, το τοίχωμα μαγνητικής περιοχής που χωρίζει δύο αντίθετα μαγνητισμένες περιοχές χρησιμοποιείται για την εγγραφή ενός bit δεδομένων στη διαμήκη μνήμη. Καθώς οι μαγνητικές περιοχές περνούν από έναν αισθητήρα που βρίσκεται κάτω από το νανοσύρμα, καταγράφεται η μεταβαλλόμενη μαγνήτιση μεταξύ αντίθετα μαγνητισμένων περιοχών.

Λόγω αυτής της ταχείας μετατόπισης κατά μήκος της διαδρομής περνώντας από κεφαλές ανάγνωσης/εγγραφής τοποθετημένες σε σταθερές θέσεις, τα μαγνητικά νανοσύρματα που αποθηκεύουν αυτές τις πληροφορίε είναι γνωστά ως "διαμήκεις μνήμες". Οι μαγνητικές περιοχές είναι σταθερές και επανεγγράψιμες, επομένως συγκρίσιμες με τον σκληρό δίσκο. Παρ 'όλα αυτά, ένα από τα μεγάλα πλεονεκτήματά τους έναντι του σκληρού δίσκου είναι ότι το ολοκληρωμένο κύκλωμα δεν έχει μηχανικά κινούμενα μέρη επειδή μόνο τα ηλεκτρόνια διαβάζουν και γράφουν bits. Αυτό τα καθιστά επίσης πολύ γρήγορα, χωρίς να  επηρεάζεται η αξιοπιστία τους.

Κάθε μαγνητική περιοχή αντιπροσωπεύει ένα "1" ή ένα "0" αποθηκευμένων δεδομένων και διατηρεί τα δεδομένα της όταν απενεργοποιείται η τροφοδοσία. Το στρώμα ανίχνευσης της μαγνητικής κεφαλής αλλάζει τη μαγνήτισή του εμπρός και πίσω ανάλογα με το πεδίο κάθε περιοχής από την οποία περνάει. Τα τοιχώματα των μαγνητικών περιοχών μπορούν να κινούνται τόσο γρήγορα (150 nm/ns), επιτρέποντας την πρόσβαση εκατομμύρια φορές πιο γρήγορα από τους σκληρούς δίσκους. Με κάθετες στήλες νανοσύρματων, μεγάλες πυκνότητες δεδομένων καθίστανται δυνατές σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα πυριτίου, ξεπερνώντας πολλούς περιορισμούς των προηγούμενων διατάξεων μνήμης. Καθώς τα bits κινούνται γρήγορα κατά μήκος της διαδρομής, προβλέπεται μια νέα γενιά εφαρμογών απαιτητικών σε δεδομένα, ειδικά επειδή και οι ίδιες οι μαγνητικές κεφαλές έχουν εξελιχθεί. Από τους αισθητήρες βαλβίδων σπιν που βασίζονται στη GMR (Giant Magnetoresistance) έως τις MTJs (Magnetic Tunnel Junctions)  που εκμεταλλεύονται τη TMR (tunneling magnetoresistance) για να επιτύχουν μεγαλύτερη ευαισθησία σε μικρά μαγνητικά πεδία, οι νέες τεχνολογίες σπιντρονικής εξυπηρετούν την εξέλιξη της  μαγνητικής εγγραφής, όπως και τη διαμήκης μνήμη.

Πηγή κειμένου: Magnetism: Basics and Applications, Stefanita, Carmen-Gabriela, Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2012.