纳米四氧化三铁（超顺磁性材料）
纳米四氧化三铁属立方晶系, 反尖晶石结构, 具有优良的磁学特征, 使其在环境处理、药物靶向引导、磁存储材料、催化剂、微波吸收、磁多功能复合材料及生物工程等方面有重要的应用。尤其是近年来磁存储材料的存储密度迅速提高, 磁性材料的超顺磁性以及磁响应性受到了人们的格外关注。同时, 合成具有生物安全性的磁性四氧化三铁纳米粒子因其在细胞分离、靶向药物、磁共振成像和磁热疗等生物医学领域广阔的应用前景而成为研究热点之一。
影响纳米级四氧化三铁性能的主要因素包括超顺磁性、矫顽力、磁饱和量、结晶度以及粒径和形貌等。四氧化三铁纳米颗粒的制备方法对其性能和适用领域有着巨大的影响。目前用于制备纳米四氧化三铁粒子的方法主要有物理方法和化学方法。采用物理方法制备的纳米微粒一般产品纯度低、颗粒分布不均匀, 有时对制备设备要求还特别高, 而且生成的四氧化三铁纳米颗粒很容易被氧化, 形貌也不均一, 所以一般不采用。采用化学方法获得的纳米粒子一般质量较好, 操作方法也较为容易, 生产成本也较低, 是目前研究、生产中主要采用的方法。
一、目前用来制备纳米四氧化三铁的化学方法有很多
共沉淀法
水热/溶剂热法
微乳液法
溶胶-凝胶法
金属有机物前体热分解法
静电纺丝法等
这些方法的制备过程及设备要求有很大区别, 其产物的形貌及性质也不尽相同, 人们可以根据需要来选择合适的制备方法, 以得到期望的目标产物。
二、纳米四氧化三铁目前应用情况
环境处理
重金属污染是最严峻的环境污染问题之一, 合成出一种新颖、高效、易分离再生的功能化磁性纳米材料去除水中的重金属, 已经引起了诸多研究者的广泛关注。随着纳米科学的快速发展, 不同性质的磁性纳米材料在解决环境问题中取得了巨大的应用, 如加速污水的凝结、去除放射性核素、吸附有机染料、修复受污染的土壤和地下水等
化学催化
纳米粒子具有巨大的比表面积, 表面效应等特点, 是一种良好的催化剂。由于纳米四氧化三铁粒子比较小, 表面所占的体积百分数大, 表面的键态和电子态与颗粒内部不同, 表面原子配位不同等因素将会使表面活性位增多。纳米半导体相对于普通半导体而言, 其光催化能力要高出许多, 其中主要原因是其量子尺寸效应使导带与价带能级之间变成分立能级, 能隙变宽, 最终使得导带电位变得更负, 而价带电位变得更正, 这意味着纳米半导体粒子具有更强的氧化和还原能力, 纳米四氧化三铁粒子的粒径小, 光生载流子比粗颗粒更容易通过扩散从粒子内部迁移到表面上, 有利于获得或者失去电子, 促进氧化和还原反应的进行，四氧化三铁具有顺磁效应, 高的表面活性以及催化活性等特点, 成为了一种良好的催化剂, 可将其用来催化降解废水中的有机染料、作为过氧化物模拟酶以及催化有机合成反应
作为模拟酶
一直以来, 四氧化三铁纳米粒子因其具有良好的磁响应性和生物相容性引起诸多科研工作者的研究，四氧化三铁纳米粒子除自身可作为过氧化物模拟酶外, 还可以与其他酶形成四氧化三铁/酶复合材料共同作为模拟酶, 用于催化反应，未来纳米四氧化三铁模拟酶这个新的研究领域将会在生物、医疗、环保等领域发挥更大的作用。
能源存储
锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点是目前最普遍、最有前景、研究最广泛的电池之一, 而金属氧化物由于其具有较低的电极电位、高储锂容量等特点常被作为锂离子电池负极材料。
生物医药
四氧化三铁纳米粒子能够用于核磁共振成像 (MRI) , MRI可以提供有关肿瘤的各种信息。在治疗方面, 主要包括磁热治疗和磁性靶向给药，磁热治疗是指:通过注射使磁性纳米颗粒到达肿瘤部位, 在外加磁场下, 使纳米粒子的磁极发生反转, 然后通过尼尔和布朗两个自旋弛豫回到初始状态, 释放热量使肿瘤温度达到治疗温度, 从而实现治疗肿瘤的目的。将药物负载到经过修饰的四氧化三铁纳米颗粒的表面, 然后将颗粒溶入载体溶液中通过静脉或动脉注射注入到人体内, 在外加磁场的引导作用下, 药物能够定向的输送到所指定的部位, 从而达到治疗的目的。使用这种方法, 不仅可以减少药物对正常组织细胞的损害, 而且可以在病变部位形成更高浓度的药物环境, 使得治疗效果更加明显, 可以在很大程度上降低药物在胃、肝、肾、肠等消化系统的代谢消耗及毒副作用。
免疫分析
免疫分析在现代生物分析技术中是一种重要的方法, 它对蛋白质、抗原、抗体及细胞的定量分析发挥着巨大的作用。由于检测在液相中操作, 二者分离起来比较困难。人们通过研究发现标记的磁分离载体表面偶联上抗体或抗原, 制成一种磁性免疫检测试剂, 可以非常简单、方便、快速地对标本中的抗原或抗体进行定性、定量地测定。
微波吸收材料
除了上述常见的应用外, 四氧化三铁纳米粒子还可以作为微波吸收材料、磁记录材料等使用。由于纳米颗粒非常小, 所以其具备一些普通材料不具有的性质, 如光波吸收、光反射中的能量损耗等。而且纳米粒子对特定波长的光吸收带有蓝移和宽化的现象, 四氧化三铁纳米粒子具有较强的磁导率, 因此, 可作为微波吸收材料。另外,四氧化三铁纳米粒子作为磁记录材料具有可以大大改善图像的质量, 可以达到信息记录的高密度等优势。
三、展望
作为一种早已被广泛研究的物质, 纳米四氧化三铁的制备方法已经比较成熟。随着科技的进步, 人们对纳米级四氧化三铁需求量不断增多, 对开发新的特殊形貌的纳米四氧化三铁也提出了更高的需求, 需要完善现有的方法以及开发新的制备方法。目前已经成功的制备出了四氧化三铁纳米颗粒、纳米棒、纳米枝、纳米膜、纳米纤维以及四面、八面、十二面、十八面等纳米晶。除了特殊形貌的纳米材料, 未来的研究方向还需围绕在减少纳米四氧化三铁颗粒的团聚和氧化、提高产品的磁性能、制备多功能复合材料以及研究其在生物医药领域的应用等方面。
