磁性納米材料
一、什么是磁性納米材料
磁性納米材料是指材料尺寸限度在納米級，通常在1～l00nm的準零維超細微粉，一維超薄膜或二維超細纖維(絲)或由它們組成的固態(tài)或液態(tài)磁性材料。
二、磁性納米材料的特點
量子尺寸效應：材料的能級間距是和原子數(shù)N成反比的，因此，當顆粒尺度小到一定的程度，顆粒內(nèi)含有的原子數(shù)N有限，納米金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散，納米半導體微粒則存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道，能隙變寬。當這能隙間距大于材料物性的熱能，磁能，靜電能，光子能等等時，就導致納米粒子特性與宏觀材料物性有顯著不同。例如，導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會反常變化，光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應的宏觀表現(xiàn)。
小尺寸效應：當粒子尺度小到可以與光波波長，磁交換長度，磁疇壁寬度，傳導電子德布羅意波長，超導態(tài)相干長度等物理特征長度相當或更小時，原有晶體周期性邊界條件破壞，物性也就表現(xiàn)出新的效應，如從磁有序變成磁無序，磁矯頑力變化，金屬熔點下降等。
宏觀量子隧道效應：微觀粒子具有穿越勢壘的能力，稱為量子隧道效應。而在馬的脾臟鐵蛋白納米顆粒研究中，發(fā)現(xiàn)宏觀磁學量如磁化強度，磁通量等也具有隧道效應，這就是宏觀量子隧道效應。它限定了磁存儲信息的時間極限和微電子器件的尺寸極限。
三、磁性納米材料的應用發(fā)展趨勢
1．生物醫(yī)學工程應用
(1)磁性分離和純化
磁性納米粒子由于具有粒徑小、比表面積大、表面有許多懸空鍵等特點，可以很容易進行表面修飾，將多種反應性功能基(如羧基、氨基、巰基、生物素、單克隆抗體等)通過共聚、表面改性賦予其表面，使其具有一些特殊的性質(zhì)。磁性分離技術(shù)是利用生物素與親和素系統(tǒng)、免疫親和系統(tǒng)、化學共價結(jié)合等的特異性反應，在外加磁場的定向控制下，磁性粒子通過親和吸附、清洗、解吸等操作，可以從復雜的生物體系中分離到目標生物分子(如蛋白、核酸等)，具有磁性分離方便、親和吸附的特異性及敏感性高等眾多優(yōu)點。
(2)磁共振成像對比劑
磁共振成像(MRI)技術(shù)是利用生物體內(nèi)不同組織在外加磁場下產(chǎn)生不同的磁共振信號來成像，磁共振信號的強弱取決于組織內(nèi)水分子中質(zhì)子的弛豫時間，成分中的一些未成對電子自旋產(chǎn)生的局部磁場能夠縮短或增加臨近水分子質(zhì)子的弛豫時間，從而增大臨近區(qū)域的磁共振信號強度，提高成像的對比度。例如，超順磁性氧化鐵粒子主要應用于分子和細胞成像。當超順磁性氧化鐵納米顆粒通過靜脈注射人人體后，與血漿蛋白相結(jié)合，并在調(diào)理素作用下被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)所識別，吞噬細胞就會把超順磁性氧化鐵納米顆粒作為異物而攝取，從而使超順磁性氧化鐵沉積在網(wǎng)狀內(nèi)皮細胞豐富的組織和器官中。因此，超順磁性氧化鐵是一種網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的對比劑，可用于肝、脾、淋巴結(jié)、骨髓等富含網(wǎng)狀內(nèi)皮細胞的組織和器官的MRI增強。若是對納米顆粒表面進行適當?shù)男揎椇吞禺愋苑肿拥呐悸?lián)則可以實現(xiàn)更廣泛的靶向。
(3)磁性藥物靶向載體
化療是目前治療惡性腫瘤的主要手段之一，近些年來，隨著新藥的不斷涌現(xiàn)，腫瘤化療取得了一定的進展目前，治療腫瘤的化療藥物一般是采用常規(guī)的注射途徑，該方法會使這些藥物均勻分地布在全身循環(huán)中，而它們在到達惡性腫瘤之前，要經(jīng)過蛋白結(jié)合、代謝、排泄等步驟，致使血液中的藥物濃度迅速降低，最終只有少量藥物到達惡性腫瘤部位，要提高惡性腫瘤內(nèi)的化療藥物濃度，就必須提高全身循環(huán)系統(tǒng)的藥物濃度，也就必須加大藥物劑量。因此，這種沒有特異性的給藥方式降低了藥物的生物利用度且同時會對全身產(chǎn)生毒副作用，造成患者不能耐受其嚴重的毒副作用而終止臨床治療。磁性藥物載體是磁性粒子和高分子耦合劑組成的，由于在外加磁場下具有磁導向性，藥物將集中于靶部位，能夠增加對靶部位的治療效果，同時減弱對全身的毒副作用。
(4)腫瘤磁致熱療
將瘤區(qū)加熱到41～46℃以上治療惡性腫瘤的方法稱為熱療，熱療是腫瘤治療學中一種重要的治療手段。41～46℃的高溫可影響生物膜功能和狀態(tài)，激活溶酶體活性，抑制脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)及蛋白質(zhì)合成，增加熱休克蛋白合成，從而達到殺死腫瘤細胞的作用。而與腫瘤組織比較，正常組織血液循環(huán)良好，散熱快，所以不會受到影響。腫瘤組織與正常組織這一熱生物學上的差異，使腫瘤熱療的臨床應用成為可能。
傳統(tǒng)的熱療系統(tǒng)由于藥物分布的全身性，在對腫瘤組織進行加熱的同時往往會損傷周圍的正常組織，磁性納米粒子的出現(xiàn)，為解決熱療的這一問題提供了新途徑，即磁致熱療。首先，磁性納米粒子通過注射等方式進入血循環(huán)內(nèi)，然后在體外恒定磁場下導向到腫瘤組織，最后，使用交變磁場使磁性納米粒子發(fā)生磁滯損耗而產(chǎn)生熱量，使溫度升高到41℃以上而殺死周圍腫瘤細胞。磁性納米粒子的引入，改善了傳統(tǒng)熱療的靶向定位問題，提高了熱療效率，使腫瘤熱療走向臨床應用成為可能。磁致熱療繼承了傳統(tǒng)熱療微創(chuàng)的優(yōu)點，同時又具有靶向效應好的特點，已成為惡性腫瘤治療的關(guān)注焦點之一。
(5)磁性轉(zhuǎn)染
磁性轉(zhuǎn)染是利用磁性納米粒子作為載體，將DNA負載到磁性納米粒子上，然后在外界磁場影響下轉(zhuǎn)染到細胞內(nèi)的方法。與病毒或其它非病毒載體相比，由于磁性納米粒子被修飾后帶有易于和帶負電荷的DNA結(jié)合的正電荷，轉(zhuǎn)染效率提高幾十到幾千倍。
(6)組織修復
磁力組織工程采用磁性陽離子脂質(zhì)體納米粒子(MCLs)標記細胞，利用磁力集聚促進細胞分層，形成多層片層三維組織結(jié)構(gòu)。這一方法目前已應用于人間充質(zhì)干細胞和視網(wǎng)膜色素上皮細胞，用于生成相關(guān)組織結(jié)構(gòu)。
(7)磁性納米顆粒的多功能化和應用
隨著對磁性納米材料研究的深入，人們已經(jīng)不滿足于單一功能顆粒的應用，從而逐漸構(gòu)建了多功能的磁性納米顆粒。同時在磁性納米顆粒表面連接多種功能性分子，如抗體、藥物分子、報告基因等，就構(gòu)成了多功能磁性納米顆粒。當這種多功能磁性納米顆粒靶向到腫瘤部位后，顆粒就可以對腫瘤進行診斷和治療(藥物治療和磁致熱療)。
2．工業(yè)技術(shù)應用
(1)在磁記錄方面的應用
在20世紀計算機剛被發(fā)明的時候，利用的存儲設備是磁帶。隨著技術(shù)的進步，人類發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象)，并成功地應用這一原理，開發(fā)出容量各異的硬盤。硬盤是利用磁顆粒的磁性來記錄數(shù)據(jù)，硬盤的盤片數(shù)量和盤片大小都已標準化，由于物理尺寸限制，若要提升硬盤的容量，就必須提高磁區(qū)的存儲密度。隨著納米加工技術(shù)的進步，用于存儲的磁顆粒也是越來越小，目前，采用三維立體存儲技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)容量為3TB的商業(yè)化存儲。
(2)在納米永磁材料方面的應用
在一定條件下，磁性納米材料可得到單磁疇結(jié)構(gòu)，這是它的特點之一，性能比普通永磁材料更優(yōu)越，其永磁性能可以隨合金的組元、含量和制造工藝等不同而有顯著的變化。目前，研究較多的主要有鐵鈷釩系、釹鐵硼系和鐵鉻鉆系，這些合金摻雜少量其他元素如鈦、銅、鈷、鎢等還可進一步改善其永磁性或加工性。在此基礎(chǔ)上，以稀土永磁材料制成的電機高效節(jié)能，符合節(jié)能減排的要求。
(3)在納米吸波材料領(lǐng)域的應用
隨著雷達、微波通信、電子對抗等軍用、民用科學技術(shù)的發(fā)展，對微波吸收材料提出了更高的要求，雖然有很多材料都具備吸波性能，但是要滿足廣譜吸收的要求，還要數(shù)磁性納米吸波材料。納米鐵氧體具有復介質(zhì)吸收特性，是微波吸收材料中較好的一種。將類似鐵氧體的納米磁性材料放人涂料中，能夠使涂料既有優(yōu)良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散紅外線性能。
(4)用作氣敏傳感器
根據(jù)納米粒子的表面效應(當外界環(huán)境發(fā)生變化時，粒子表面或界面上的離子價態(tài)和電子亦發(fā)生變化的特點)，適當摻雜重金屬可使磁性納米材料的電導和靈敏度得以顯著提高。因此，可將納米氧化鐵制成靈敏的傳感器，用于氫氣、乙醇、一氧化碳及其他有毒氣體的檢測。
3．環(huán)境治理應用
(1)水處理
磁性納米材料由于比表面大的特點，對六價鉻具有較好的吸附作用，可以在較寬酸度范圍吸附大量的六價鉻，并且吸附效率高，吸附時間短，材料可以重復使用，對于處理環(huán)境污水中的六價鉻具有一定的應用價值。同時，磁性納米材料對水中的砷也具有很好的吸附能力，而且砷一旦被吸附就很難分離。在試驗中，水中懸浮著的納米磁性材料在磁場作用下都被移出了溶液，只剩下凈化水，可以使飲用水中砷污染物含量降低到美國環(huán)保署要求的水平。
(2)吸附脫硫
吸附脫硫由于可在常溫常壓條件下操作，并對有機硫有較高的吸附選擇性，在深度脫硫方面顯示出特有的優(yōu)勢，是目前燃油脫硫采用的主要技術(shù)之一，但缺點是吸附劑很難從燃固油中分離出來。而磁性納米材料在分離中的主要用途之一是吸附脫硫，磁載體技術(shù)可以克服目前常用一些脫硫技術(shù)(如離子交換、沉淀、吸附、離子浮選、反相滲透技術(shù))的局限性，顯示出巨大的應用前景，引起了人們的極大興趣。在實際應用中，一方面可以利用核磁響應的特性，使得材料綜合各單一組分材料的優(yōu)異性能，又可以利用分子篩的吸附和較易改性特性，使得吸附劑很容易被富集，進而從燃油中分離出來。
4．其他應用
(1)用作透明顏料
由于納米氧化鐵具有明顯的小尺寸效應，可以導致光的繞射，從外觀上看是透明的，當其分散在透明介質(zhì)中制成連續(xù)的薄膜時具有透明的著色效果，所以又稱之為透明氧化鐵。納米氧化鐵具有很好的耐溫、耐候、耐酸堿以及高彩度、高著色力、高透明度和強烈吸收紫外線等卓越性能，是傳統(tǒng)氧化鐵顏料無法比擬的，這使得透明氧化鐵在高檔汽車面漆、建筑涂料、防腐涂料等粉末涂料及塑料尼龍橡膠、油墨等許多領(lǐng)域中都得到了廣泛應用。
(2)用作催化劑
納米粒子制成催化劑的活眭、選擇性都高于普通催化劑，還具有壽命長、易操作等特點。目前，磁性納米催化劑主要應用于固體酸催化、固體堿催化、Heck催化、光催化、催化氧化等領(lǐng)域。總之，磁性納米材料的應用可謂涉及到各個領(lǐng)域，在機械、電子、光學、磁學、化學和生物學領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。納米科技的誕生將對人類社會產(chǎn)生深遠的影響，21世紀初的主要任務是利用納米材料各種新穎的物理、化學和生物特性設計出各種新型材料和器件，通過納米技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品，增加其科技含量。目前，這項工作已展現(xiàn)出廣闊的前景，具備了形成經(jīng)濟新增長點的基礎(chǔ)。而磁性納米材料作為納米材料科學領(lǐng)域一個明星，在新材料、能源、信息、生物醫(yī)學等各個領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。
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