Mīkstu magnētisko materiālu funkcionālo iespēju eksperimentālie pētījumi

Zīm.1.

īpatnību rotējošā magnētiskā laukā noskaidrošanai. Lielo masīvu izmēru dēļ nav iespējams pievienot atskaites mājas lapai attiecīgās videofilmas (interesanti var griezties personīgi aceb@sal.lv), tādēļ Zīm.2 ir dots neliels iegūto rezultātu apkopojums.

Zīm.2

Zīm.2 ir parādīta baktērijas kustība pie zemām rotējoša lauka ar intensitāti 14 Oe frekvencēm, tai pieaugot ik 4 s par 0.02 Hz. Iegūtā kustības trajektorijas liekuma atkarība no lauka frekvences (Zīm.2C) ļauj novērtēt baktērijas kustības ātrumu 16 μm/s, kas labi atbilst vērtībai, kuru var iegūt izsekojot baktērijas pārvietošanos starp videokadriem.

Pie lielākām rotējošā lauka frekvencēm baktērija ar lēcieniem pārvietojas starp riņķveidīgas kustības apgabaliem (Zīm.2B), kas atbilst teorētiski sagaidāmai trajektorijai. Zīm.2B parādītās kustības raksturs ļauj novērtēt baktēriju magnētisko momentu un zinot magnetosomu izmērus, - to skaitu. Iegūtais magnetosomu skaits – 90 labi atbilst elektronmikroskopijas datiem. 

Iespējams pats interesantākais rezultāts, ko bija izdevies iegūt šajos pirmajos eksperimentos ar magnetotaktiskam baktērijām, ir parādīts Zīm.2D. Var redzēt, ka bakterija kādā noteiktā laika momentā sāk kustēties pa riņķa līnijas loku ar apmēram 2x lielāku radiusu. Tā kā šajā momentā baktērijas magnētiskais moments turpina kustēties rotējošā lauka virzienā, tad vienīgā iespēja kā izskaidrot Zīm.2D parādīto trajektoriju ir pieņemt, ka bakterijas kustības ātruma virziens attiecībā pret tās magnētisko momentu trajektorijas lūzuma punktā ir izmainījies. Jeb, citiem vardiem runājot, ir notikusi baktērijas rotācijas motora reversija. Mūsu rīcībā nav datu, ka šāda tipa parādība ir tikusi sistemātiski pētīta baktērijām ar  monotrichous flagellum (ir pamats uzskatīt, ka magnētiskām baktērijām ir tikai viena flagella). Tas liecina, ka mūsu rīcībā ir instruments, kurš iespējams ļauj izsekot baktērijas flagellas struktūras izmaiņām pie rotācijas motora reversijas, par ko liecina pieaugušais baktērijas kustības ātrums. Katrā ziņā dotais jautājums būtu nopietni pētams arī turpmāk. Nobeidzot doto sadaļu piebildīsim, ka Zīm.2 parādītie rezultāti ir iegūti pielāgojot mūsu sistēmai esošos daļiņu izsekošanas algoritmus, kas arī vērtējams kā nopietns dotā projekta rezultats. Šī matemātiskā aparāta pielietošana paver interesantas iespējas arī kolloidu fizikā. Par dotiem jautājumiem ir sagatavotas un iesniegtas tēzes ICMF11 konferencei [1]. Tālākā periodā par dotiem jautajumiem tiks gatavota plašāka publikācija.  

Iepriekšējā laika periodā tika teorētiski noskaidrota virkne interesantu īpašību, kuras piemīt magnētiskiem filamentiem: magnētiskā lauka radīto spēka momentu izsauktā liekšanās nestabilitāte, magnētisko filamentu pašdzenošā kustība mainīgā magnētiskā laukā u.c.  Šobrīd daži no šiem efektiem ir demonstrēti laboratorijas apstākļos, daži tiek izmantoti magnētisko filamentu fizikāli-ķīmisko īpašību pētījumiem (liekšanās nestabilitāte). Ļoti lokani magnētiski filamenti tiek iegūti saistot mikronizmēra superparamagnētiskas daļiņas ar kādu polimeru vai biopolimēru. Pēdējā gadījumā jāizmanto superparamagnētiskas daļiņas, kuru virsmas ir funkcionalizētas, piemēram ar streptavidinu. Tādā gadījumā lokanus magnētiskus filamentus ir iespējams iegūt saistot daļiņas ar biotinizētu DNS molekulu (garums ~500 bp) palīdzību. DNS fragmenti mūsu vajadzībām tika sintezēti Latvijas biomedicīnas petījumu un studiju centrā (A.Šaripo). Iegūto DNS filamentu liekšanās elastība tika noteikta izmantojot to magnētiskā laukā veidoto ‘hairpinu’ liekuma atkarību no magnētiskā lauka intensitātes. Šo atkarību illustrē Zīm.3, kurš parāda filamentu konfigurācijas pie 3 dažādām magnētiskā lauka vērtībām (40;57;71 Oe).

Zīm.3

Tā kā DNS ir polielektrolīts ar vienu elementāro lādiņu uz 0.17 nm, tad pilnīgi dabiska ir iespēja, ka to liekšanās elastības modulis ir atkarīgs no šķīdumu jonu spēka. Šajā nolūkā tika veikti filamentu elastības mērījumi pie dažādām NaCl koncentrācijām PBS ar pH=6.6. Iegūtie rezultāti kopā ar teorētisko līkni ir parādīti Zīm.4. Lai arī šobrīd nav izdevies parādīt liekšanās elastības konstantes atkarību no šķīduma jonu spēka Zīm.4 parādītā teoretiskā līkne skaidri parāda sāls koncentrāciju apgabalu, kurā dotā atkarība būtu meklējama. Bez tam var sagaidīt, ka interesanti efekti iespējami izmantojot sālis ar divvērtīgiem kationiem. Par dotajiem jautājumiem ir sagatavotas un iesniegtas tēzes ICMF11 konferencei [2].

Zīm.4

Dotie pētījumi ne tikai parāda iespējas magnētiskus filamentus pagatavot šķīdumos ar dažādu jonu spēku, bet ļauj arī izdarīt fizikāli pamatotas hipotēzes par magnētisku filamentu uzbūvi, par kuru šobrīd vēl ir daudz neskaidrību. Tas ir nepieciešams, lai sekmīgi izveidotu ar mainīgu magnētisko lauku darbināmus mikrodzinējus, kuri varētu būt interesanti dažādu transporta funkciju veikšanai mikrokapilāros. Eksperimentāli FMF Teorētiskās fizikas katedras eksperimentālajā grupā šobrīd pašdzenoša kustība ir novērota magnētiskiem filamentiem, kuri saistīti ar PAA (skat. animāciju). Šajā gadījumā daļiņu sasaistes mehānisms ir cits, jo filamentu sintēzei izmantotās daļiņas netika funkcionalizētas. Šeit, iespējams, būtisku lomu spēlē polimēra ķēžu fizikālā adsorbcija.

Līdztekus eksperimentāliem magnētisku filamentu pētījumiem tika teorētiski noskaidrota virkne interesantu magnētisku filamentu īpašību, kura var kalpot interesantu eksperimentu veikšanai nākotnē. Tā [3] tika teorētiski noskaidrota magnētisku filamentu suspensijas magnētiskās uzņēmības atkarība no frekvences, ņemot verā siltumfluktuāciju ietekmi. Iegūtās kompleksās magnetiskās uzņēmības reālās un imaginārās daļu atkarība no frekvences parādīta Zīm.5.

Zīm.5

Interesanti ir piezīmēt, ka tā saucamā Kola-Kola diagramma šajā gadījumā ir riņķa līnijas loks, kas labi saskaņojas ar superparamagnētisku daļiņu suspensijas magnētiskās uzņēmības eksperimentāliem datiem, kuri šobrīd ir atrodami literaturā. Tas ļauj domat, ka šajās sistēmās notiek magnētisku daļiņu ķēžu veidošanās.

Doto parādību eksperimentāla noskaidrošana ir iespējama izveidojot magnētiskus filamentus, saistot savā starpā nanodaļiņas, jo tikai šādā gadījumā var cerēt, ka siltumfluktuāciju ietekme būs būtiska. Bez tam šādu filamentu izveide ir svarīga arī, lai samazinātu magnētisko mikrodzinēju izmērus līdz šūnu līmenim, kas pavērtu iespējas veikt ar magnētisku lauku vadītas mikromanipulācijas šūnas iekšienē. 

Kopumā teorētiskie un eksperimentālie rezultāti par magnētisko filamentu pētījumiem tiks prezentēti ielūgtajā referātā Amerikas Fizikas Biedrības kongresā, kurš notiks 2007 gada martā Denverā [4].

Lai sekmīgi eksperimentāli veidotu vadāmas magnētiskas nanostruktūras pirmais principiālais nosacījums ir, ka mūsu rīcībā jābūt magnētiskām nanodaļiņām ar kontrolējamām īpašībām ūdens vidē. Lai  arī šādas daļiņas ir iespējams iegādāties kā dažādu firmu piedāvātus produktus, tomēr dotajā gadījumā principiāli svarīgi ir, lai šādas daļiņas ar kontrolējamām virsmas īpašībām būtu mūsu pašu rīcībā. Šajā nolūkā ar OSI atbalstu (G.Duburs) ir uzsākta magnētisku nanodaļiņu sintēzes procedūras izstrāde ūdens vidēs, šobrīd pārsvarā izmantojot literatūrā aprakstītās metodikas. Iegūto nanodaļiņu kolloida magnetizācijas līkne (M.Majorovs, FI siltumfizikas laboratorija (vad.E.Blūms)) parādīta Zīm.6. Tuvākajā nākotnē šis darbs tiks izvērsts sintezējot magnētiskas nanodaļiņas ar nepieciešamajām virsmas īpašībām un tās pielietojot dažādu biologisku objektu īpašību kontrolējamai izmaiņai.

Zīm.6

Ļoti interesantas iespējas aktīvu sistemu izveidošanai paver dielektrisku daļiņu suspensijas. Dotā projekta ietvaros uzsākta mikronizmēru dielektrisku daļiņu ieguve, izmantojot pulveru izkausēšanas metodi gāzes liesmā un tam sacietējot iegūstot sfēriskas daļiņas. Iekārtas kopaina redzama Zīm.7.

Zīm.7

 Publikācijas.