Growth and organization of hybrid nanocrystals
Authors: Μπριντάκης Κωνσταντίνος 
Published: September 2021

Αξιοσημείωτη προσπάθεια έχει πραγματοποιηθεί στην ανάπτυξη νανοσωματιδίων. Εξαιτίας του νανομετρικού τους μεγέθους, παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιότητες από αντίστοιχης φάσης, μεγάλου μεγέθους σώματα, καθώς τα νανοσωματίδια κυριαρχούνται από επιφανειακά και κβαντικά φαινόμενα. Φέρνοντας τα νανοσωματίδια κοντά μεταξύ τους με οργανωμένο τρόπο, δημιουργείται νέα δευτερεύουσα δομή, παρουσιάζοντας καινούργιες ιδιότητες. Μια σφιχτά δομημένη νανοδομή, ονομαζόμενη συσσωμάτωμα, παρουσιάζει συλλογικές ιδιότητες, αφού τα νανοσωματίδια από τα οποία αποτελείται, αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους. Σε αυτή την εργασία, νανοσωματιδία μαγκεμίτη (γ-Fe2O3), συνθέτουν ένα τρισδιάστατο συσσωμάτωμα, ονομαζόμενο νανοσυσσωμάτωμα. Αυτό παρουσιάζει σιδηριμαγνητισμό σε θερμοκρασία δωματίου κι η μαγνητική του δυναμική, δείχνει δύο μέγιστα στο φανταστικό μέρος της εναλλασσόμενης (ac) μαγνητικής επιδεκτικότητας. Διακρίνονται, δύο διαφορετικές δυναμικές περιοχές σπιν, αυτή σε χαμηλή θερμοκρασία, αποδίδεται σε υαλώδη συμπεριφορά σπιν επιφανείας, ενώ αυτή σε υψηλότερη θερμοκρασία σε σούπερ-σπιν ύαλο. Τα δύο αυτά μέγιστα εκφράζονται από μια εκθετική εξίσωση και συσχετίζοντας με προσομοιώσεις Monte Carlo, αποδεικνύεται ότι οι υαλώδεις καταστάσεις προέρχονται από τη διπολική μαγνητική αλληλεπίδραση και την διαταραχή των σπιν εξαιτίας των δομικών ατελειών, που υπάρχουν στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων. Τα νανοσυσσωμάτωμα αυτά, είναι υδατοδιασπειρώμενα, με χαμηλή κυτταροτοξικότητα και εξαιρετική απόδοση απεικονιστικής αντίθεσης MRI. Επιπροσθέτως, μετρήσεις του ρυθμού ειδικών απωλειών ενέργειας (SLP), έδειξαν επαρκή παραγωγή θερμότητας των νανοσυσσωμάτων, συγκρινόμενη με τα μεμονωμένα νανοσωματίδια που τα αποτελούν. Ο λόγος αυτής της ενίσχυσης στη μαγνητική υπερθερμία, είναι οι θερμικές απώλειες υστέρησης, οι οποίες είναι ο κύριος μηχανισμός παραγωγής θερμότητας (εκτός των αποσβέσεων Néel και Brown). Επίσης, αναλόγως του μέγεθος των νανοσυσσωμάτων, παρουσιάζουν διαφορετική συμπεριφορά και αλληλεπίδραση, στην επώαση κυττάρων υπό την παρουσία τους. Το δεύτερο τμήμα αυτής της εργασίας, επικεντρώνεται σε μονοφασικά ή δομής πυρήνα@κελύφους νανοσωματίδια και η οργάνωσή τους σε λειτουργικές δομές. Η αρχική φάση που αναπτύσσεται κατά τη σύνθεση, είναι αυτή του βουστίτη (FeO). Οξειδώνεται είτε πλήρως σε μαγνητίτη (Fe3O¬4), δημιουργώντας μια μονοφασική δομή, είτε μερικώς, δημιουργώντας δομή πυρήνα@κελύφους. Αυτή η διαδικασία αυτοπροστασίας, αφήνει πίσω της ατέλειες δομής, οι οποίες είναι σημαντικές στην ολική μαγνητική συμπεριφορά. Πιο συγκεκριμένα, σφαιρικά νανοσωματίδια συγκρινόμενα με αντίστοιχα κυβικά, έχουν περισσότερα δομικά σφάλματα, εξαιτίας της επίδρασης του σχήματος και έτσι παρουσιάζουν σημαντικά μεγαλύτερες τιμές της τεχνολογικά χρήσιμης πόλωσης ανταλλαγής (exchange bias). Οι δομικές ατέλειες, δημιουργούν περιοχές μη σταθμισμένων σπιν, που είναι συζευγμένες μαγνητικά με το υπόλοιπο τμήμα του σιδηρομαγνητικού ή αντισιδηρομαγνητικού νανοσωματιδίου, προκαλώντας ανισοτροπία ανταλλαγής. Τα νανοσωματίδια αυτά, τοποθετήθηκαν επάνω σε μια λειτουργική πιεζοηλεκτρική επιφάνεια. Εκμεταλλευόμενοι την υδροφοβικότητά τους, αν εγχυθούν επάνω στην επιφάνεια νερού, απλώνονται συγκροτώντας ένα υμένιο μονής στιβάδας. Τοποθετώντας, το διατεταγμένο υμένιο επάνω στο πιεζοηλεκτρικό υπόστρωμα, μπορεί να κατασκευαστεί μια ηλεκτρομαγνητική συσκευή. Η διδακτορική αυτή διατριβή, έχει ως σκοπό, την ανάδειξη, κατανόηση και τον έλεγχο μικρο/νανοσκοπικών μηχανισμών πίσω από τις συλλογικές ιδιότητες, νανοσωματιδιακών συστημάτων. Επιπρόσθετα, οργανώνοντας τα νανοσωματίδια σε δευτερογενείς δομές, επιχειρείται η εκμετάλλευση αυτών των συλλογικών χαρακτηριστικών σε πιθανές εφαρμογές.