The response of magnetic nanoparticles (MNPs) in a liquid to an alternating magnetic field is complicated because the rotational motions of both the magnetic moment in the MNP (internal rotation) and the MNP itself (physical rotation) affect each other. It is necessary to elucidate the mechanisms of these rotation behaviors for the success of the recent bio-applications of MNPs. However, the experimental technique for the observation of the physical rotation has been lacking. In our previous work, we demonstrated that the physical rotation of MNPs could be measured quantitatively from the absorbance change with a Faraday configuration. Then, it was revealed that the ten nm-sized maghemite MNP kept aligning to some extent with small oscillation. This behavior is consistent with the “magnetic mode” that Usov and Liubimov proposed from their numerical simulation. In the present study, we improved the apparatus to measure the induced linear dichroism with a Voigt configuration. This improvement increased the signal-to-noise ratio by about 100 times and allowed us to investigate the dependence of the physical rotation on the size of magnetite MNPs. It was shown that smaller MNPs (11 nm and 13 nm) rotated in the magnetic mode. By contrast, the rotational motion of the biggest MNP (25 nm) had different features compared to the smaller ones. These differences can be explained with “viscous mode” that Usov and Liubimov also predicted. Furthermore, we suggest a dimensionless parameter as a useful criterion for the transition of these modes.

中文翻译：

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振荡磁场下液体中磁性纳米粒子物理旋转的磁性和粘性模式

液体中的磁性纳米粒子 (MNP) 对交变磁场的响应很复杂，因为 MNP 中的磁矩（内旋）和 MNP 本身（物理旋转）的旋转运动会相互影响。有必要阐明这些旋转行为的机制，以便最近 MNP 的生物应用取得成功。然而，一直缺乏观察物理旋转的实验技术。在我们之前的工作中，我们证明了 MNP 的物理旋转可以通过法拉第配置的吸光度变化定量测量。然后，发现十纳米大小的磁赤铁矿 MNP 保持一定程度的排列，并且振荡很小。这种行为与 Usov 和 Liubimov 从他们的数值模拟中提出的“磁模式”是一致的。在本研究中，我们改进了使用 Voigt 配置测量诱导线性二色性的设备。这种改进使信噪比提高了约 100 倍，并使我们能够研究物理旋转对磁铁矿 MNP 大小的依赖性。结果表明，较小的 MNP（11 nm 和 13 nm）在磁模式下旋转。相比之下，最大的 MNP (25 nm) 的旋转运动与较小的相比具有不同的特征。这些差异可以用 Usov 和 Liubimov 也预测的“粘性模式”来解释。此外，我们建议将无量纲参数作为这些模式转换的有用标准。我们改进了使用 Voigt 配置测量诱导线性二色性的设备。这种改进使信噪比提高了约 100 倍，并使我们能够研究物理旋转对磁铁矿 MNP 大小的依赖性。结果表明，较小的 MNP（11 nm 和 13 nm）在磁模式下旋转。相比之下，最大的 MNP (25 nm) 的旋转运动与较小的相比具有不同的特征。这些差异可以用 Usov 和 Liubimov 也预测的“粘性模式”来解释。此外，我们建议将无量纲参数作为这些模式转换的有用标准。我们改进了使用 Voigt 配置测量诱导线性二色性的设备。这种改进使信噪比提高了约 100 倍，并使我们能够研究物理旋转对磁铁矿 MNP 大小的依赖性。结果表明，较小的 MNP（11 nm 和 13 nm）在磁模式下旋转。相比之下，最大的 MNP (25 nm) 的旋转运动与较小的相比具有不同的特征。这些差异可以用 Usov 和 Liubimov 也预测的“粘性模式”来解释。此外，我们建议将无量纲参数作为这些模式转换的有用标准。这种改进使信噪比提高了约 100 倍，并使我们能够研究物理旋转对磁铁矿 MNP 大小的依赖性。结果表明，较小的 MNP（11 nm 和 13 nm）在磁模式下旋转。相比之下，最大的 MNP (25 nm) 的旋转运动与较小的相比具有不同的特征。这些差异可以用 Usov 和 Liubimov 也预测的“粘性模式”来解释。此外，我们建议将无量纲参数作为这些模式转换的有用标准。这种改进使信噪比提高了约 100 倍，并使我们能够研究物理旋转对磁铁矿 MNP 大小的依赖性。结果表明，较小的 MNP（11 nm 和 13 nm）在磁模式下旋转。相比之下，最大的 MNP (25 nm) 的旋转运动与较小的相比具有不同的特征。这些差异可以用 Usov 和 Liubimov 也预测的“粘性模式”来解释。此外，我们建议将无量纲参数作为这些模式转换的有用标准。这些差异可以用 Usov 和 Liubimov 也预测的“粘性模式”来解释。此外，我们建议将无量纲参数作为这些模式转换的有用标准。这些差异可以用 Usov 和 Liubimov 也预测的“粘性模式”来解释。此外，我们建议将无量纲参数作为这些模式转换的有用标准。