نانوذرات اکسید اهن

نانوذرات اکسید آهن. نانوذرات اکسید آهن، ذرات اکسید آهن با قطر بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر هستند. دو فرم اصلی عبارتند از مگنتیت ( Fe 3 O 4 ) و فرم مغناطیسی اکسید شده آن. آنها به دلیل ویژگی های فوق العاده پارامغناطیس و کاربردهای بالقوه خود در بسیاری از زمینه ها ( به رغم اینکه کبالت و نیکل نیز موادی بسیار مغناطیسی هستند، سمی هستند و به راحتی اکسیداسیون می شوند ) علاقه زیادی را به خود جلب کرده اند. کاربردهای نانوذرات اکسید آهن عبارتند از دیسک مغناطیسی ترابیت، فروکافت، حسگرها، آرام سنجی فوق پارامغناطیس ( SPMR ) و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی با حساسیت بالا ( ام آرآی ) ( MRI ) برای تشخیص پزشکی و درمان. این برنامه ها نیازمند پوشش نانوذرات توسط عواملی مانند اسیدهای چرب زنجیره طولانی، آمینها ودی ال جایگزین آلکیل هستند. آنها در فرمولاسیون ها به عنوان مکمل استفاده می شوند. [ ۱]
مگنتیت یک ساختار اسپینل معکوس با اکسیژن دارد که یک دستگاه بلوری مکعبی صورت محور را تشکیل می دهد. در مگنتیت، تمام سایتهای تتراهدرال ( چهارتایی ) توسط Fe3+اشغال می شوند و سایت های اوکتاهدرال ( هشت ضلعی ) توسط Fe3+ وFe2+ اشغال می شوند. ماژیمیت با مگنتیت متفاوت است که در آن تمام یا بیشتر آهن در حالت سه گانه ( Fe3+ ) است و تهی جایی کاتیون در سایت های اوکتاهدرال وجود دارد. ماژیمیت یک سلول واحد مکعب دارد که در آن هر سلول حاوی یون های O، 211⁄3 Fe۳+ و 2۲⁄۳ تهی جایی می باشد. کاتیون ها به صورت تصادفی در ۸ سایت تتراهدرال و ۱۶ سایت اوکتاهدرال توزیع می شوند. [ ۲] [ ۳]
باتوجه به ۴ الکترون جفت نشده در لایه الکترونی 3d، یک اتم آهن یک گشتاور مغناطیسی قوی دارد. یون های Fe2+ همچنین دارای ۴ الکترون جفت نشده در لایه 3d و یون های Fe3+ دارای ۵ الکترون جفت نشده در لایه 3d هستند؛ بنابراین هنگامی که کریستال ها از اتم های آهن یا یون های Fe2+وFe3+ تشکیل می شوند، آنها می توانند در حالت های فرومغناطیس، آنتی فرومغناطیس یا فری مغناطیس باشند. در حالت پارامغناطیس، گشتاورهای مغناطیسی اتمی فردی به طور تصادفی جهت گیری کرده اند و چون میدان مغناطیسی وجود ندارد ماده دارای گشتاور مغناطیسی خالص صفر است. این مواد دارای تراوایی مغناطیسی نسبی بزرگتر از ۱ هستند و به میدان های مغناطیسی جذب می شوند. گشتاور مغناطیسی هنگامی که میدان بکار برده شده حذف شود، به صفر کاهش پیدا می کند. اما در یک مادهٔ فرومغناطیس تمام گشتاورهای اتمی حتی بدون میدان خارجی تراز می شوند. یک ماده فری مغناطیس شبیه به فرومغناطیس است؛ اما دارای دو نوع مختلف از اتم ها با گشتاورهای مغناطیسی متضاد است. ماده دارای یک گشتاور مغناطیسی است زیرا گشتاورهای متضاد دارای قدرت های مختلف می باشند. اگر آنها اندازه های یکسان داشته باشند، کریستال آنتی فرومغناطیسی است و هیچ گشتاور مغناطیسی ای ندارد. [ ۴] هنگامی که یک میدان مغناطیسی خارجی به یک ماده فرو مغناطیس اعمال می شود، مغناطش ( M ) با قدرت میدان مغناطیسی ( H ) افزایش می یابد تا آنکه اشباع شود. در برخی از محدوده میدان ها مغناطش دارای پسماند است زیرا بیش از یک حالت مغناطیسی پایدار برای هر میدان وجود دارد؛ بنابراین، مغناطش باقی مانده حتی پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی نیز حضور خواهد داشت. یک ماده مغناطیسی تک دامنه ( به عنوان مثال نانوذرات مغناطیسی ) که دارای حلقه پسماند نیست، فوق پارامغناطیس نامیده می شود. چیدمان گشتاورهای مغناطیسی در مواد فرومغناطیس، آنتی فرومغناطیس و فری مغناطیس با افزایش دمای کاهش می یابد. مواد فرومغناطیس و فری مغناطیس بی نظم می شوند و خاصیت مغناطیسی شان را فراتر از نقطه کوری ( T C ) از دست می دهند و مواد آنتی فرومغناطیس خاصیت مغناطیسی شان را فراتر از دمای نیل ( T N ) از دست می دهند. مگنتیت در دمای اتاق فری مغناطیسی است و دارای دمای کوری ۸۵۰ کلوین است. ماژیمیت در دمای اتاق، فری مغناطیس و در دماهای بالا ناپایدار است و پذیرفتاری مغناطیسی خود را با زمان از دست می دهد. ( تعیین درجه کوری آن سخت است ) . هر دو نانوذرات مغناطیسی و ماژیمیت در دمای اتاق فوق پارامغناطیس هستند. [ ۴] این رفتار فوق پارا مغناطیسی نانوذرات اکسید آهن را می توان به اندازه آنها نسبت داد. هنگامی که اندازه به اندازه کافی کوچک می شود ( کوچکتر از ۱۰ نانومتر ) ، نوسانات حرارتی می تواند جهت مغناطیسی کل کریستال را تغییر دهد. ماده ای با بسیاری از این بلورها مثل یکپارامغناطیس رفتار می کند، به جز اینکه گشتاورهای کل کریستال ها به جای اتم های فردی نوسان دارند. [ ۴] علاوه بر این، رفتار فوق مغناطیسی منحصر به فرد نانوذرات اکسید آهن اجازه می دهد تا آنها از راه دور از نظر مغناطیسی دستکاری شوند. در بخش های آخری، دستکاری خارجی با توجه به کاربرد زیست پزشکی نانوذرات اکسید آهن مورد بحث قرار می گیرد. نیروها برای دستکاری مسیر ذرات اکسید آهن مورد نیاز هستند. یک میدان مغناطیسی یکنواخت فضایی می تواند گشتاور ذرات مغناطیسی ایجاد کند، اما نمی تواند باعث انتقال ذره شود؛ بنابراین، میدان مغناطیسی باید یک گرادیان برای ایجاد حرکت انتقال باشد. نیرو روی یک نقطه با گشتاور دو قطبی مغناطیسی m و میدان مغناطیسی B با معادله زیر داده شده است: