Эксперименты японских ученых показали, что магнитные свойства наночастиц золота существенно отличаются от свойств обычного золота - они ведут себя как ферромагнитные частицы.

Рис.1. a - схематическое изображение наночатицы золота, окруженной полимером; b - изображения наночастиц золота в полимерной матрице, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии; c - распределение наночастиц по размеру (по данным электронной микроскопии).

Уменьшение размеров частиц материала до нанометрового размера приводит к существенному изменению его свойств. Это связано не только с тем, что подобные частицы состоят уже не из огромного числа атомов, а всего лишь из тысяч или сотен атомов. Важно и другое. В обычном (объемном) кристалле подавляющее большинство атомов находятся вдали от поверхности, находясь в окружении других атомов и занимая определенные позиции в кристаллической решетке. В же наноразмерной частице вещества происходит резкое возрастание доли поверхностных атомов, которые, очевидно, находятся "на особом положении", что не может не сказываться на свойствах частицы (см., например, нашу новость про отрицательную теплоемкость атомных кластеров). В частности, при уменьшении размеров частиц могут меняться магнитные свойства вещества.

Как и большинство веществ, золото не имеет "склонности" к спонтанному магнитному упорядочению атомных магнитных моментов (оно характерно для ферромагнетиков и антиферромагнетиков). Золото является диамагнетиком; в отличие от парамагнетиков - веществ, намагничивающихся в направлении приложенного магнитного поля, - диамагнетики "сопротивляются" внешнему магнитному полю (собственный магнитный момент материала оказывается направлен против внешнего магнитного поля). Идеальными диамагнетиками, как известно, являются сверхпроводники в сверхпроводящем состоянии - для них характерно полное "выталкивание" магнитного поля из объема сверхпроводника (данное явление известно как эффект Мейснера), обусловленное наличием незатухающих сверхпроводящих токов, текущих вблизи поверхности сверхпроводника.

Итак, золото является диамагнетиком, но что произойдет, если уменьшать размеры частиц золота? В настоящее время существуют методы получения металлических наночастиц с небольшим разбросом по размеру. Не так давно японские ученые провели эксперименты с наночастицами золота в полимерной матрице, и показали, что такие частицы могут проявлять ферромагнитные свойства. Однако, поскольку проводились измерения только намагниченности образцов, оставалась небольшая вероятность того, что результаты обусловлены не собственно уменьшением размера частиц, а другими причинами (например, присутствием магнитных примесей). Для того, чтобы внести в вопрос окончательную ясность, японские ученые провели исследование поглощения циркулярно-поляризованного рентгеновского излучения наночастиц золота в полимерной матрице [1].

Рис. 2. Зависимость намагниченности от приложенного поля при постоянной температуре (a) и от температуры при постоянном магнитном поле (b), полученная с помощью магнитометрических измерений (SQUID) и измерения поглощения рентгеновского излучения (XCMD).

Были выращены наночастицы золота (рис. 1) со средним диаметром 1.9 нм (что соответствует среднему числу атома в наночастице порядка 210) в стабилизирующей полимерной матрице (из PAAHC), которая предотвращала окисление и агрегацию частиц. Помимо измерения намагниченности образцов при разных температурах с помощью сквида , проводилось также измерения намагниченности на основе эффекта магнитного циркулярного дихроизма для рентгеновских лучей (рис. 2). В качестве источника рентгеновского излучения использовался источник синхротронного излучения Spring-8, измерения проводились в магнитных полях до 10 Тл.

Особенность проведенных экспериментов по исследованию поглощения рентгеновского излучения в зависимости от направления магнитного поля состоит в том, что этот метод чувствителен только к магнитному состоянию выбранного химического элемента, так как энергетическая структура электронных оболочек для каждого элемента уникальна. Проведенные эксперименты впервые позволили недвусмысленно продемонстрировать, что наночастицы золота действительно проявляют несвойственный объемному материалу ферромагнетизм.

1. Y.Yamamoto, T.Miura, T.Teranishi, M.Miyake, H.Hori, M.Suzuki, N.Kawamura, H.Miyagawa, T.Nakamura, K.Kobayashi. Phys.Rev.Lett, v.93, 116801 (2004). (в свободном доступе статья находится здесь).

Е.Онищенко