Resonant spin-dynamics in magnetic nanoparticles and heat generation for bio-applications = 자성나노입자의 스핀동역학 및 공명효과에 의한 열방출에 관한 연구
저자
발행사항
서울 : 서울대학교 대학원, 2021
학위논문사항
학위논문(박사)-- 서울대학교 대학원 : 재료공학부 2021. 8
발행연도
2021
작성언어
영어
주제어
DDC
620.1
발행국(도시)
서울
형태사항
xv, 140 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 김상국
UCI식별코드
I804:11032-000000166808
소장기관
The magneto-thermal effect is characterized by the conversion of magnetostatic energy into heat from magnetic materials. As a merit of magnetic heating, heat generation from magnetic materials can be controlled wirelessly, quickly, and reliably with delicate manipulation of externally applied magnetic fields. Therefore, the phenomena of heat generation in magnetic materials has been spotlighted in numerous applications including spintronics, magnonics, as well as potential therapeutic usages in hyperthermia treatments.
This thesis deals with the resonant spin-dynamic behavior of the magnetic nanoparticles and its entailing high-efficiency heat generation.
First, we established a rationale for the extremely high heat-dissipation amount associated with FMR in superparamagnetic ferrites nanoparticles - two orders of magnitude greater than those from the conventional Neel-Brown relaxation mechanisms. We found that the amount of dissipated heat generated from FMR is proportional to saturation magnetization and inversely proportional to the damping parameter. These works have been performed by the simulation and numerical calculations based on the explicit form of constitutive equation, and concurrently further evidenced by the experimental demonstrations.
Furthermore, we investigated the effect of spin resonance-mediated heat dissipation using superparamagnetic iron-oxides nanoparticles and achieved an extraordinary initial temperature increment rate of more than 150 K/s, which is a significant increase in comparison to that for the conventional magnetic heat induction of nanoparticles. This mechanism also enables a delicate control of local heating by adjustment of several field parameters, i.e., the strengths of DC/AC magnetic fields, the frequency of the AC field, and its pulse width.
Based on the underlying physics of resonant excitation of magnetic nanoelements, we suggest magnetic hyperthermia using resonantly excited magnetic nanoparticles. This, our first step towards a paradigmatic shift in magnetic hyperthermia, would offer its potential applications for magnetic hyperthermia towards successful medical treatments based on utilization of FDA-approved magnetic nanoparticles, thereby overcoming the current limitations of conventional magnetic hyperthermia.
자기-열 효과는 자성물질 내 정자기적 에너지를 열 에너지로 변화하는 것을 특징으로 한다. 자성 물질 내 열을 발생시키는 데 있어 큰 장점 중 하나로, 외부에서 인가되는 자기장을 섬세하게 조절함으로써 자성 물질 내 발생열을 원격으로, 그리고 빠르고 안정적으로 제어할 수 있다는데 있다. 이에 따라, 자성물질의 열발생 현상은 스핀트로닉스, 마그노닉스 및 자기온열를 통한 암세포 치료 등을 포함한 수 많은 잠재적인 응용 분양에서 주목을 받고 있다.
이에 따라, 본 논문은 자성나노입자의 공명 스핀의 동적 거동과 함께 이에 수반하는 고효율의 열 발생 메커니즘에 대해 다루고자 한다.
먼저, 초상자성 페라이트 나노입자 내에서 강자성공명으로부터 얻어지는 매우 높은 열 방출량에 대한 이론적, 실험적 근거를 확립하였다. 이는 기존의 닐-브라운 이완 메커니즘에 기반한 열 발생량보다 100배 이상 큰 것으로 나타났다. 또한, 강자성공명으로부터 발생된 열방출량은 자성나노입자의 포화자화값에 비례하고, 길버트 감쇠상수에 반비례함을 실험적으로 발견하였다. 이러한 연구는 이론적 수식과 함께 미소자기 전산모사를 통한 수치 계산이 동시에 수행되었으며, 나아가 실험 증명을 통해 추가로 입증되었다.
한편, 초상자성 나노입자를 활용하여 동적 스핀 공명으로 인한 매우 빠른 속도의 열방출 효과를 얻어내었다. 이는 기존 방법의 자기열 유도 방식과 비교하여 현저히 증가한, 최대 150 K/s 수준의 초기 온도 증가율을 달성하였다. 이 메커니즘의 활용은 또한 직류자기장 및 교류자기장의 강도, 교류주파수 및 펄스 폭 등의 여러가지 자기장 매개변수를 섬세하게 조절함으로써 국소 발열량을 쉽게 제어할 수 있도록 한다.
본 논문에서 연구한 자성나노입자의 스핀 동적 거동의 기초 물리현상을 토대로 하여, 새로운 방식의 자기온열기법 및 치료기술을 제안한다. 이는 자기온열치료 분야의 패러다임 전환을 향한 첫 번째 발걸음으로, 궁극적으로는 기존의 FDA 승인된 자성나노입자를 그대로 활용하여 기존의 자기온열치료 기술의 한계를 극복하고, 잠재적인 응용성을 제공하여 치료 효과를 극대화 하는 기술로 자리매김 할 것을 시사한다.
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