ИСТИНА

Действенным инструментом повышения эффективности изучения магнитных материалов является экспериментальное измерение и анализ их магнитотепловых свойств в силу фундаментальной взаимосвязи, существующей между электронной, решеточной и магнитными подсистемами материала при проявлении того или иного магнитотеплового свойства. Под термином магнитотепловые в данной работе понимаются магнитокалорический эффект (МКЭ), магнитные вклады в теплоемкость и энтропию, а также специальные параметры, введенные для характеризации нагрева магнитных наночастиц [1,2]: удельная мощность поглощения (SAR) и собственная мощность потерь (ILP). Указанные параметры объединяют в себе информацию о ключевых свойствах магнитного материала: намагниченности, теплоемкости, магнитной восприимчивости. В ряду магнитотепловых свойств отдельно необходимо отметить магнитокалорический эффект в силу его наибольшей чувствительности к фазовым переходам в магнитных материалах, а также перспективам практического использования эффекта, связанным с построением магнитных холодильных и тепловых машин, основанных на применении МКЭ, применением в медицине, получением сверхнизких температур и др. [3–6] Важно отметить, что максимальных величин магнитотепловые свойства достигают в области магнитных фазовых переходов [7], которые и изучаются в настоящей работе в различных магнитных материалах. В работе данное явление изучено в нескольких видах магнитных материалов, которые можно рассматривать в качестве модельных, и, соответственно, распространить полученные результаты на более широкие классы функциональных материалов: для анализа были выбраны тяжелые редкоземельные металлы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий); сплавы на основе железо-родий и наночастицы ферромагнитных оксидов. Редкоземельные металлы в настоящее время используются во всех без исключения отраслях промышленности. По оценкам экспертов, потребность промышленности в химических соединениях на их основе сохранит тенденцию к росту на протяжении ближайших десятков лет. Вместе с тем практическое использование высокочистых металлов редкоземельной группы требует максимально точного понимания физико-химических свойств используемых металлов, в особенности, магнитных. РЗМ испытывают множество фазовых переходов между совершенно различными магнитными состояниями, критические температуры которых зачастую находятся весьма близко друг от друга и, в основном, в низкотемпературной области. Данное обстоятельство ограничивает практическое применение изученных материалов в широком диапазоне температур и магнитных полей в «рабочей» области (около комнатных температур). Сплавы FeRh с соотношением атомов железа и родия около 1:1 проявляют максимальные значения МКЭ из всех известных на сегодняшний день материалов. Величины изменения магнитной части энтропии и адиабатического изменения температуры втрое превышают соответствующие значения чистого гадолиния. Более того, эквиатомный сплав железо-родий претерпевает единственный фазовый переход первого рода АФМ-ФМ в области около комнатных температур. В этом смысле данный сплав является модельным соединением, в отличие от модельного гадолиния с единственным фазовым переходом второго рода и других РЗМ, в которых наблюдается каскад фазовых переходов смешанного типа. Соответственно, данный материал интересен как с фундаментальной точки зрения, так как позволяет прояснить механизм магнитно-структурного фазового перехода первого рода, так и с прикладной, поскольку величина МКЭ в нем в полтора-два раза выше соответствующих значений в других материалах, проявляющих гигантский МКЭ: Gd5Si4-xGex [8], La(FexSi1-x) [9], MnFeP(As,Ge) [10]. При этом, диапазон химических составов, магнитных полей и температур, в котором бинарные сплавы семейства железо-родий проявляют необходимые для практического применения магнитотепловые свойства, довольно узок. Кроме того, родий является одним из самых дорогих металлов в мире в настоящее время, что также существенно затрудняет его широкое использование даже в лабораторных условиях. В связи с этим актуален поиск сплавов, обладающих гигантским МКЭ, но не имеющих в своем составе родия. Таким образом, исследование характера изменений МКЭ и других магнитотепловых свойств при замещении родия более доступными материалами (в трехкомпонентных сплавах на основе железо-родий) также весьма актуально. В связи с вышесказанным в работе предложена относительно новая область применения изучаемых магнитотепловых явлений (в отличие от ставшей классической области магнитного охлаждения и разработки магнитных тепловых машин), а именно, медицинские приложения. В используемых на сегодняшний день методиках гипертермии (общая гипертермия, локальная гипертермия с использованием радиочастотного и микроволнового излучения, а также ультразвука) нагрев опухоли вызывает также и существенное повышение температуры соседних здоровых тканей. Для контроля теплового режима проводится измерение температуры с помощью датчиков, введенных в область воздействия. Таким образом, основными недостатками используемых в настоящее время методик гипертермии являются низкая селективность воздействия, а также инвазивный метод контроля температуры [11]. В работе проведен анализ магнитных материалов в виде микро- и наночастиц с уникальными магнитотепловыми свойствами, которые могут найти применение в методе магнитожидкостной гипертермии (МЖГ). Среди различных способов применения магнитокалорического эффекта особенный интерес представляет технология адресной доставки лекарственных средств. Процесс удаленной, неинвазивной доставки лекарств в пораженные органы или ткани человека является одной из актуальных проблем, стоящих перед наукой в настоящее время. Существующие технологии частично ограничены из-за их неспособности эффективно срабатывать в естественных условиях в отсутствие местного имплантированного источника тепла, невозможности воспроизводимого выпуска в течение нескольких тепловых циклов, медленного ответа на стимулы, их неспособности динамически отрегулировать дозирование препарата в соответствии с потребностями пациента. Соответственно, в работе изучены термодинамические характеристики магнитокалорического материала для покрытия имплантатов и носителей лекарственных средств, который позволит управлять количеством и временем высвобождения лекарственного препарата из покрытия имплантанта.