Hvordan Defekter og Lagstruktur Påvirker Ferromagnetisme i MoS2 Nanoskikt

MoS2 (molybdendisulfid) er et 2D-materiale som har tiltrukket mye oppmerksomhet de siste årene, spesielt for sine unike magnetiske egenskaper. Ferromagnetisme i MoS2 har blitt undersøkt i sammenheng med defekter og lagstruktur, og flere studier har vist at defekter i materialet kan fremme ferromagnetiske egenskaper, noe som ikke nødvendigvis er til stede i perfekt krystallinske strukturer.

Til tross for disse interessante funnene, er mekanismene bak defektindusert ferromagnetisme fremdeles et omdiskutert tema. Generelt er det vist at ferromagnetiske egenskaper i MoS2 er nært knyttet til defekttypene og deres tetthet i materialet. En annen studie (Sanikop og Sudakar, 2020) undersøkte MoS2 nanosheets med kontrollerte defekter og tykkelse. Ved å annealere et våt-kjemisk forløpermateriale ved temperaturer mellom 500 og 900 °C, fant forskerne at MoS2-flakene fikk en mer ordnet og krystallinsk struktur ved høyere temperaturer, mens lavtemperaturbehandling resulterte i høyere defekttetthet og større interlagavstand. Når nanoskiltene ble varmebehandlet ved 500 °C, viste høyoppløselige bilder betydelige tegn på bøyning, bretting og krølling i kantene på flakene, noe som indikerer tilstedeværelse av defekter i de tynnere lagene. Ved høyere temperaturer ble disse deformasjonene redusert, og nanoskiltene ble mer ordnet og krystallinske.

Ved å analysere de magnetiske egenskapene i MoS2-flakene ved forskjellige annealingtemperaturer, fant forskerne at materialet med høy defekttetthet (for eksempel ved 500 °C) viste en mye høyere magnetisering sammenlignet med de mer perfekt krystallinske prøvene som ble behandlet ved 900 °C. Dette tyder på at defekter, som svovelvakanser og Mo5+ paramagnetiske defekter, aktiverer magnetiske egenskaper i materialet. Spesielt ble det foreslått at disse defektene dannet bundne magnetiske polaroner (BMP), hvor svovelvakanser og feller elektroner som skaper magnetiske momenter i MoS2-lagene.

Det er viktig å merke seg at magnetiske egenskaper kan endres betydelig avhengig av hvordan og hvor defektene dannes i MoS2-strukturen. Defektene kan både øke eller redusere materialets magnetisme avhengig av deres type og plassering. For eksempel viser nanoskiltene med høye svovelvakansdefekter en mye høyere magnetisering på grunn av dannelsen av BMP, mens nanoskiltene med lavere defekttetthet, dannet ved høyere temperaturer, viser svakere ferromagnetisme.

Den største utfordringen i forskning på MoS2-ferromagnetisme ligger i å forstå de nøyaktige mekanismene som fører til magnetisk ordning i defektrike materialer. Forskning har også vist at tilstedeværelsen av overgangsmetall (TM) eller ikke-metalliske elementer på MoS2-lagene kan påvirke de magnetiske egenskapene ved å endre strukturen til defektene. DFT-beregninger har for eksempel antydet at adsorpsjon av overgangsmetaller på monolagene og bilagene til MoS2 kan føre til en ferromagnetisk grunntilstand i materialet.

Det er viktig for leseren å forstå at ferromagnetisme i MoS2 ikke nødvendigvis er en iboende egenskap for materialet, men heller en som kan induseres eller forsterkes ved å kontrollere defekter og behandlingsbetingelser. Dette betyr at for å utvikle MoS2-baserte enheter for spesifikke applikasjoner, er det avgjørende å forstå hvordan defektene i materialet kan kontrolleres og tilpasses for å oppnå ønskede magnetiske egenskaper. Ytterligere forskning på dette området kan føre til mer effektive metoder for å tune magnetismen i MoS2 og dermed utvide anvendelsen av dette materialet innen teknologi som krever kontroll over magnetiske egenskaper.

Hvordan litium-interkalerte MoS2-nanoskikt påvirker magnetiske egenskaper gjennom strukturelle faser

Overgangen i strukturen til MoS2 nanoskjellene kan dramatisk påvirke de magnetiske egenskapene til materialet, noe som åpner nye muligheter for tilpasning og kontroll av magnetisme i overgangsmetalldisulfider (TMDs). En betydelig magnetisering kan oppnås gjennom faseoverganger, som involverer både interkalering av litiumioner og deinterkalering. Denne prosessen kan forårsake en strukturell transformasjon fra den stabile 2H-fasen til den mer magnetisk aktive 1T-fasen, som fører til at MoS2 viser ferromagnetiske egenskaper ved romtemperatur.

Forskjellige studier har vist at litiuminterkalerte MoS2 nanoskjell kan utvise betydelig ferromagnetisme, avhengig av graden av faseovergang og tilstedeværelse av defekter i materialet. For eksempel, ved hydrotermisk syntese av MoS2 nanoskjell, kan svovelvakansene som dannes fremme overgangen fra 2H- til 1T-fase. Dette kan resultere i en økning i magnetisering fra 0.02 til 0.25 μB, med en kritisk temperatur (TC) på 395 K, som illustrerer at lokaliserte faser i materialet kan ha en betydelig effekt på den magnetiske responsen.

Litiuminterkalerte MoS2-nanoskjell har også blitt undersøkt for deres magnetiske egenskaper i både interkalert og deinterkalert tilstand. Et viktig funn er at MoS2 nanoskjell, som er brent ved høy temperatur og dermed har lavere tetthet av defekter, viser mindre effekt på magnetiseringen ved litiuminterkaleringsprosessen, sammenlignet med nanoskjell med høyere defekttetthet som er brent ved lav temperatur. Dette tyder på at defektene i strukturen spiller en viktig rolle i å fremme ferromagnetisme i disse materialene. I de interkalerte nanoskjellene finner man at spinntilstanden til Mo-ionene endres, fra Mo4+ med en spinn på 0 i trigonal prismatisk geometri til Mo3+ med en spinn på 3/2 i den oktaedriske geometrien.

Et viktig aspekt ved disse faseovergangene er dannelsen av bundne magnetiske polaroner (BMP), som oppstår som et resultat av sammenkoblingen av spinnene på Mo-ionene og de fangede bærerne på svovelvakansene. Denne koblingen mellom spinntilstandene fra Mo-atomene og fangede elektroner kan være den drivende mekanismen bak ferromagnetismen, og samspillet mellom disse polaronene avgjør den totale magnetiseringen i systemet. En nøkkelfaktor er størrelsen på de lokale 1T-faseområdene i nanoskjellene, som er på størrelsen av en polaron (ca. 3 nm), og at avstanden mellom nabotområdene er liten nok til at spinndannelse og magnetisme kan oppstå.

Videre har studier vist at selv når litium fjernes fra MoS2-strukturen under deinterkaleringsprosessen, kan en betydelig mengde magnetisme forbli i materialet, på grunn av Mo4+ som beholder sin distorserte oktaedriske geometri. Dette viser at ferromagnetiske egenskaper kan opprettholdes selv etter at litium er fjernet, et fenomen som kan være nyttig i utviklingen av mer stabile og varige magnetiske materialer. I tillegg viser det at overgangen til 1T-fasen ikke nødvendigvis er en engangsprosess, og at den kan reverseres uten at de magnetiske egenskapene går tapt.

Disse resultatene har betydning for utviklingen av MoS2-baserte materialer med kontrollert magnetisme, spesielt for anvendelser innen spintronikk og andre teknologier som krever presis styring av magnetiske egenskaper på atomart nivå. Forskerne har også vist at ulike metoder for å kontrollere defekttettheten og graden av faseovergang kan brukes for å skreddersy de magnetiske egenskapene til MoS2, noe som åpner for nye muligheter innen materialvitenskap.

En viktig forståelse for leseren er at MoS2 i 1T-fasen kan ha flere forskjellige magnetiske tilstander, avhengig av prosessene som styrer faseovergangen og defektstrukturen. Denne mangfoldigheten av magnetiske tilstander er et nøkkelpunkt for utviklingen av MoS2 som et materiale for praktiske applikasjoner, da den gir muligheter for å justere magnetisme på et mikroskopisk nivå gjennom prosesser som interkaleringskontroll, temperaturbehandling og doping.

Hvordan påvirker overflatefunksjonalisering egenskapene og anvendeligheten til koboltbaserte nanomaterialer?

I elektrokatalyse har koboltbaserte bimetalliske nanopartikler vist lovende resultater i fosforsyrecelle-teknologier, direkte metanol-brenselceller og reaksjoner som hydrogen- og oksygenevolusjon, samt oksygenreduksjon. Disse systemene krever høy stabilitet og reaktivitet under ekstreme elektrolytiske forhold, noe som gjør overflatefunksjonalisering avgjørende – både for å beskytte den aktive kjernen og for å optimalisere elektronoverføring i grenseflaten mellom partikkel og elektrolytt.

Det er imidlertid flere flaskehalser knyttet til bruken av slike nanomaterialer, særlig på grunn av deres instabilitet på nanoskala, potensielt toksiske syntesemetoder, manglende kontroll over størrelse og dispersjon, samt biokompatibilitet. Løsninger på disse utfordringene involverer syntese gjennom vann- eller organisk-baserte reduksjonsmetoder ved bruk av reagenser som natriumborhydrid (NaBH₄), superhydrid (Li(Et)₃BH) eller polyoler, og stabilisering ved hjelp av kapningsmidler som PEG, PVP, oleinsyre, oleylamin og mesoporøs silika.

Kobolt i sin frie form er cytotoksisk, noe som begrenser dets biomedisinske anvendelser. Det har derfor vært utviklet belagte varianter, som CoFe₂O₄ nanopartikler med organiske funksjonelle grupper eller biomaterialer. Belagte nanopartikler som disse demonstrerer høy stabilitet i vandige løsninger, høy ladningstetthet og forbedret biokompatibilitet. For eksempel har citronsyrebelagte CoFe₂O₄ nanopartikler vist seg å ha en kjerne på bare 2,9 nm med høy magnetisering og ζ-potensial på –52 mV.

Magnetiske egenskaper avhenger sterkt av krystallstruktur og overflateeffekter. Seksjonell sammenligning viser at hcp-Co, med større krystallitter og kjedelignende strukturer, gir høyere metningsmagnetisering (Ms = 162 emu/g) og høyere koersivitet (Hc), mens fcc-Co, med mindre partikler og mer markante overflateeffekter, gir betydelig lavere verdier (Ms = 29,7 emu/g). Dette gjelder også for legeringer som Fe–Ni–Co og Fe–Co, hvor komposisjon, partikkelstørrelse og overflatekarakteristika direkte påvirker anisotropi og spinnforstyrrelser ved overflaten.

Silikabelagte Co–Ni nanopartikler har vist forsterkede magnetiske egenskaper sammenlignet med ubelagte varianter, hovedsakelig som følge av interkornutveksling via silikamatriksen. Ved lave temperaturer viser M–T-plott for Co–Ni og Fe–Co nanopartikler magnetisk irreversibilitet, noe som indikerer en blokkert tilstand under 300 K, trolig forårsaket av sterke dipolare interpartikkel-interaksjoner. Silikabelegget bidrar her ytterligere til å stabilisere slike interaksjoner.

Innen biomedisin er overflatefunksjonaliserte Co₁₋ₓZnₓFe₂O₄ nanopartikler belagt med kitin eller PEG–oleinsyrekomplekser brukt for legemiddellevering og hypertermi. Slike systemer har demonstrert høy legemiddellastingskapasitet (opp til 86 %) og forbedret cytokompatibilitet. I et annet eksempel ble Co₀.₅Zn₀.₅Fe₂O₄/PANI nanostrukturer syntetisert via in-situ polymerisering og viste seg å være svært effektive i fotonedbrytning av azofargestoffer, takket være høy krystallinitet og rene spinellstrukturer.

Strukturelle og morfologiske karakteriseringer er kritiske. Røntgendiffraksjon (XRD) gir innsikt i fase-renhet og krystallstørrelser, og

Hvordan fungerer magnetiske nanopartikler i biomedisinske behandlinger og hypertermi?

Magnetiske nanopartikler, spesielt monodisperse kjerne-skall-strukturer, har stor betydning i biomedisinske anvendelser fordi enkeltpartikler kan målrette sykdomsområder effektivt. Siden mange magnetiske nanopartikler opprinnelig er hydrofobe, må de modifiseres for å bli vannløselige for å kunne brukes i hypertermi og andre medisinske behandlinger. Disse nanopartiklene har et bredt spekter av anvendelser, blant annet som kontrastmidler i MR, vevsingeniørkunst, magnetisk hypertermi, fototermisk og fotodynamisk terapi, samt som bærer for legemidler i cellegift.

En viktig teknikk for å gjøre nanopartiklene hydrofile er å belegge dem med mesoporøs silika ved hjelp av metoder som revers mikroemulsjon, Stöber-prosessen eller ligandbytte med forbindelser som TEOS og APTMS. Polymerbelegg er også mye brukt, da de forbedrer biokompatibilitet, størrelse og morfologi, noe som er avgjørende for medisinske applikasjoner. Magnetiske nanopartikler kan videre konjugeres med målrettede molekyler som antistoffer, folsyre eller fluorescerende prober, noe som muliggjør både diagnose og behandling i samme plattform, såkalt theranostikk. Ved eksponering for et eksternt vekslende magnetfelt kan slike nanopartikler generere varme, noe som styrker effekten mot kreftceller.

Magnetiske nanopartikler kommer i ulike arkitektoniske modeller som kjerne-skall, omvendt kjerne-skall, flerkjernede, "yolk-shell", dumbbell og janus-strukturer, som hver gir spesifikke fordeler i biomedisinsk kontekst. Et eksempel på en grønn syntesemetode er produksjonen av γ-Fe2O3 nanopartikler med et dobbelt skall bestående av et hydrofobt PMMA ytre lag og et hydrofilt kitossan lag, uten bruk av skadelige kjemikalier. Nano-miceller basert på superparamagnetiske jernoksider og biokompatible polymerer kan også fungere som bærere for kombinert terapi.

Hypertermi-behandling benytter magnetiske materialer som ferromagnetiske eller ferrimagnetiske nanopartikler for å øke temperaturen i kreftvev til 40–42 °C ved hjelp av et vekslende magnetfelt. Ikke alle magnetiske nanopartikler er egnet for dette; materialer med høy magnetisk moment og hysterese tap, som Fe3O4, γ-Fe2O3 og dopede ferritter, er best egnet. Varmen genereres hovedsakelig gjennom disipasjon av magnetisk energi i form av varme under magnetiseringssyklusen, en prosess som kalles termisk ablasjon.

Hypertermi har fordeler over cellegift fordi behandlingen er lokalt målrettet og har minimal skade på friskt vev, da kreftceller er mer følsomme for varme. Ulike mekanismer bidrar til varmegenerering, blant annet hysterese tap, virvelstrømmer, Néel-relaksjon (spinnrelaksjon i enkelt domene) og Brownsk bevegelsesrelaksjon (partikkel-kollisjoner). Multidomene systemer oppnår metning magnetisering når alle magnetiske domener er justert i feltets retning.

Det finnes også magnetiske legeringer som FePd, FePt, CoPt og CoPd med tetragonal krystallstruktur som effektivt kan generere varme ved magnetisk aktivering. I tillegg er noen ferromagnetiske metaller som karbider, nitrider, borider og fosfider utforsket for hypertermi.

I forståelsen av nanopartiklers rolle i hypertermi og biomedisinske anvendelser er det avgjørende å ikke bare fokusere på materialets magnetiske egenskaper, men også hvordan overflatebehandling, biokompatibilitet og funksjonalisering påvirker partikkelens oppførsel i biologiske systemer. Effektiv levering, målretting og varmeproduksjon krever en finjustering av både fysikalske og kjemiske egenskaper. Den multifunksjonelle bruken av magnetiske nanopartikler i diagnose og behandling viser et paradigmeskifte i moderne medisin hvor presisjon og minimal invasivitet står i sentrum.

Endret partikkelstørrelse, skalltykkelse og sammensetning kan drastisk endre både den magnetiske responsen og biologiske interaksjoner, noe som gjør dette til et dynamisk forskningsfelt med stor klinisk potensial. Det er også viktig å forstå de toksikologiske aspektene og langtidsvirkninger av nanopartikler i kroppen for å sikre trygge og effektive behandlinger.

Hvordan grafen kan bli magnetisk: Mekanismer og betingelser for induksjon av magnetisme

En av de viktigste metodene for å indusere magnetisme i grafen er ved adsorpsjon av radikaler. Lin et al. utførte teoretiske studier som undersøkte effekten av aromatiske radikaler på grafens magnetisme. Ved lav dekning av aromatiske radikaler som metoksyfenyl, fenyl og nitrofenyl på grafen, kan bandgapet i grafen endres, og to spin-avhengige midgap-tilstander kan dannes. Dette fører til at grafen utvikler et nettomagnetisk moment. Når radikaler som metoksyfenyl, som gir elektroner, og nitrofenyl, som aksepterer elektroner, adsorberes på grafen, oppstår det et system som kan være magnetisk. Andre radikaler som fenyl fungerer derimot som en mellomting, og deres virkning på magnetismen er mer kompleks.

I likhet med defekter kan også dannelse av hengende bindinger, særlig på kantene eller overflaten av grafen, gi opphav til magnetiske egenskaper. Li et al. viste at når nanohull ble laget på grafenoksid, økte antallet hengende bindinger, og med dette økte også materialets magnetisme. Ved høyere tetthet av nanohull ble magnetismen i grafenoksiden transformert fra paramagnetisme til ferromagnetisme, et fenomen som er nært knyttet til spinninteraksjonene mellom de enkelte enhetene i materialet. På samme måte har undersøkelser av grafen med åpne kanter vist at slike strukturer kan utvikle magnetiske kanttilstander, som kan detekteres ved hjelp av teknikker som elektron-spin-resonans og røntgenabsorpsjon.

Det er viktig å merke seg at grafens magnetisme ikke er en iboende egenskap i alle tilfeller. Magnetismen kan induseres, men den avhenger sterkt av de spesifikke forholdene og modifikasjonene som grafen gjennomgår. For eksempel kan forskjeller i type defekt, radikal adsorpsjon, overflatebehandling eller påføring av eksterne elektriske felter føre til enten ferromagnetisme eller antiferromagnetisme, og til og med påvirke størrelsen på det magnetiske momentet. Det er derfor viktig å forstå at grafens magnetisme er et resultat av spesifikke, kontrollerbare forhold som kan justeres avhengig av de ønskede applikasjonene.

Endtext