国家标准与技术研究所 就像刚刚打开的香槟瓶中的气泡在膨胀一样，微小的圆形磁性区域可以迅速扩大，从而提供一种测量纳米粒子磁性的精确方法
这项由美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员及其合作者开发的技术，为纳米粒子的磁性行为提供了更深入的理解
由于这种方法快速、经济，并且不需要特殊条件——测量可以在室温和大气压下进行，甚至可以在液体中进行——因此它为制造商提供了一种实用的方法来测量和改善他们对磁性纳米粒子特性的控制，以用于大量的医疗和环境应用
磁性纳米粒子可以作为微小的执行器，磁性地推拉其他小物体
依靠这一特性，科学家们已经利用纳米粒子来清除化学溢出物，组装和操作纳米机器人系统
磁性纳米粒子甚至有治疗癌症的潜力——快速逆转注射到肿瘤中的纳米粒子的磁场产生足够的热量来杀死癌细胞
单个磁性纳米粒子产生磁场，就像我们熟悉的条形磁铁的北极和南极
这些磁场在NIST研发的磁敏薄膜表面产生磁泡——初始直径小于100纳米(十亿分之一米)的平圆
气泡围绕着纳米粒子磁极，该磁极指向与薄膜磁场方向相反的方向
尽管它们编码了关于纳米粒子磁性取向的信息，但用光学显微镜很难检测到微小的气泡
然而，像香槟中的气泡一样，磁性气泡可以膨胀到其初始直径的数百倍
通过施加一个小的外部磁场，研究小组将气泡的直径扩大到几十微米(百万分之一米)——大到可以用光学显微镜看到
放大的气泡发出的更亮的信号迅速揭示了单个纳米粒子的磁性取向
在确定了纳米粒子的初始磁取向后，研究人员使用放大的气泡来跟踪施加外部磁场时该取向的变化
记录翻转纳米粒子的北极和南极所需的外部磁场强度，揭示了矫顽磁场的大小，这是纳米粒子磁稳定性的基本度量
这一重要特性之前一直难以测量单个纳米粒子
一根微小的磁棒被放在一条磁性薄膜上
这种纳米棒有一个特殊的磁性方向，和一个与薄膜相互作用的边缘场，形成一个磁性方向相反的气泡状区域
通过施加第二个磁场，研究人员可以改变纳米棒的磁取向，使磁泡从棒的一端转移到另一端
测量气泡的位置可以让科学家洞察纳米棒的几何形状和磁性，并揭示它是单独存在还是与其他纳米粒子聚集在一起
信用:S
凯利/NIST 塞缪尔·M
NIST的斯塔维斯和安德鲁
巴尔克在洛斯阿拉莫斯国家实验室和NIST进行了他的大部分研究，他和他在NIST和约翰·霍普金斯大学的同事在最近一期的《应用物理评论》上描述了他们的发现
研究小组研究了两种类型的磁性纳米粒子——由镍铁合金制成的棒状粒子和由氧化铁制成的不规则形状的粒子簇
巴尔克说，使气泡膨胀的外加磁场所起的作用类似于一瓶香槟中的压力
在高压下，当香槟酒瓶塞住时，气泡基本上不存在，就像薄膜上的磁性气泡太小，在没有外加磁场的情况下，光学显微镜无法检测到一样
当软木塞弹出，压力降低时，香槟气泡膨胀，就像外部磁场扩大了磁性气泡一样
每一个磁泡都揭示了磁泡形成时纳米粒子磁场的方向
为了研究方向如何随时间变化，研究人员每秒钟产生数千个新气泡
通过这种方式，研究人员测量了纳米粒子发生时磁取向的变化
为了提高这项技术的灵敏度，研究人员调整了薄膜的磁性
特别是，研究小组调整了Dzyaloshinskii-御名方守矢(DMI)的相互作用，这是一种量子力学现象，它使薄膜内的气泡发生扭曲
这种扭曲减少了形成气泡所需的能量，为测量研究中最小磁性粒子的磁场提供了必要的高灵敏度
测量磁性纳米粒子的其他方法需要用液氮冷却、在真空室中工作或仅在单个位置测量磁场，这些方法不允许如此快速地确定纳米级磁场
利用这项新技术，研究小组在室温下快速成像了大面积粒子的磁场
速度、便利性和灵活性的提高使得新的实验成为可能，在这些实验中，研究人员可以实时监控磁性纳米粒子的行为，例如在具有许多部件的磁性微系统的组装和操作过程中
斯塔维斯说，这项研究是NIST正在努力制造提高光学显微镜测量能力的设备的最新例子，大多数实验室都有这种仪器
他补充说，这使得基础研究和纳米粒子制造能够快速测量单个纳米粒子的特性
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