磁性纳米材料

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　　磁性纳米材料是指材料尺寸限度在纳米级，通常在1～l00nm的准零维超细微粉，一维超薄膜或二维超细纤维(丝)或由它们组成的固态或液态磁性材料。

　　量子尺寸效应：材料的能级间距是和原子数N成反比的，因此，当颗粒尺度小到一定的程度，颗粒内含有的原子数N有限，纳米金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，纳米半导体微粒则存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道，能隙变宽。当这能隙间距大于材料物性的热能，磁能，静电能，光子能等等时，就导致纳米粒子特性与宏观材料物性有显著不同。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。

　　小尺寸效应：当粒子尺度小到可以与光波波长，磁交换长度，磁畴壁宽度，传导电子德布罗意波长，超导态相干长度等物理特征长度相当或更小时，原有晶体周期性边界条件破坏，物性也就表现出新的效应，如从磁有序变成磁无序，磁矫顽力变化，金属熔点下降等。

　　宏观量子隧道效应：微观粒子具有穿越势垒的能力，称为量子隧道效应。而在马的脾脏铁蛋白纳米颗粒研究中，发现宏观磁学量如磁化强度，磁通量等也具有隧道效应，这就是宏观量子隧道效应。它限定了磁存储信息的时间极限和微电子器件的尺寸极限。

　　1．生物医学工程应用

　　(1)磁性分离和纯化

　　磁性纳米粒子由于具有粒径小、比表面积大、表面有许多悬空键等特点，可以很容易进行表面修饰，将多种反应性功能基(如羧基、氨基、巯基、生物素、单克隆抗体等)通过共聚、表面改性赋予其表面，使其具有一些特殊的性质。磁性分离技术是利用生物素与亲和素系统、免疫亲和系统、化学共价结合等的特异性反应，在外加磁场的定向控制下，磁性粒子通过亲和吸附、清洗、解吸等操作，可以从复杂的生物体系中分离到目标生物分子(如蛋白、核酸等)，具有磁性分离方便、亲和吸附的特异性及敏感性高等众多优点。

　　(2)磁共振成像对比剂

　　磁共振成像(MRI)技术是利用生物体内不同组织在外加磁场下产生不同的磁共振信号来成像，磁共振信号的强弱取决于组织内水分子中质子的弛豫时间，成分中的一些未成对电子自旋产生的局部磁场能够缩短或增加临近水分子质子的弛豫时间，从而增大临近区域的磁共振信号强度，提高成像的对比度。例如，超顺磁性氧化铁粒子主要应用于分子和细胞成像。当超顺磁性氧化铁纳米颗粒通过静脉注射人人体后，与血浆蛋白相结合，并在调理素作用下被网状内皮系统所识别，吞噬细胞就会把超顺磁性氧化铁纳米颗粒作为异物而摄取，从而使超顺磁性氧化铁沉积在网状内皮细胞丰富的组织和器官中。因此，超顺磁性氧化铁是一种网状内皮系统的对比剂，可用于肝、脾、淋巴结、骨髓等富含网状内皮细胞的组织和器官的MRI增强。若是对纳米颗粒表面进行适当的修饰和特异性分子的偶联则可以实现更广泛的靶向。

　　(3)磁性药物靶向载体

　　化疗是目前治疗恶性肿瘤的主要手段之一，近些年来，随着新药的不断涌现，肿瘤化疗取得了一定的进展目前，治疗肿瘤的化疗药物一般是采用常规的注射途径，该方法会使这些药物均匀分地布在全身循环中，而它们在到达恶性肿瘤之前，要经过蛋白结合、代谢、排泄等步骤，致使血液中的药物浓度迅速降低，最终只有少量药物到达恶性肿瘤部位，要提高恶性肿瘤内的化疗药物浓度，就必须提高全身循环系统的药物浓度，也就必须加大药物剂量。因此，这种没有特异性的给药方式降低了药物的生物利用度且同时会对全身产生毒副作用，造成患者不能耐受其严重的毒副作用而终止临床治疗。磁性药物载体是磁性粒子和高分子耦合剂组成的，由于在外加磁场下具有磁导向性，药物将集中于靶部位，能够增加对靶部位的治疗效果，同时减弱对全身的毒副作用。

　　(4)肿瘤磁致热疗

　　将瘤区加热到41～46℃以上治疗恶性肿瘤的方法称为热疗，热疗是肿瘤治疗学中一种重要的治疗手段。41～46℃的高温可影响生物膜功能和状态，激活溶酶体活性，抑制脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)及蛋白质合成，增加热休克蛋白合成，从而达到杀死肿瘤细胞的作用。而与肿瘤组织比较，正常组织血液循环良好，散热快，所以不会受到影响。肿瘤组织与正常组织这一热生物学上的差异，使肿瘤热疗的临床应用成为可能。

　　传统的热疗系统由于药物分布的全身性，在对肿瘤组织进行加热的同时往往会损伤周围的正常组织，磁性纳米粒子的出现，为解决热疗的这一问题提供了新途径，即磁致热疗。首先，磁性纳米粒子通过注射等方式进入血循环内，然后在体外恒定磁场下导向到肿瘤组织，最后，使用交变磁场使磁性纳米粒子发生磁滞损耗而产生热量，使温度升高到41℃以上而杀死周围肿瘤细胞。磁性纳米粒子的引入，改善了传统热疗的靶向定位问题，提高了热疗效率，使肿瘤热疗走向临床应用成为可能。磁致热疗继承了传统热疗微创的优点，同时又具有靶向效应好的特点，已成为恶性肿瘤治疗的关注焦点之一。

　　(5)磁性转染

　　磁性转染是利用磁性纳米粒子作为载体，将DNA负载到磁性纳米粒子上，然后在外界磁场影响下转染到细胞内的方法。与病毒或其它非病毒载体相比，由于磁性纳米粒子被修饰后带有易于和带负电荷的DNA结合的正电荷，转染效率提高几十到几千倍。

　　(6)组织修复

　　磁力组织工程采用磁性阳离子脂质体纳米粒子(MCLs)标记细胞，利用磁力集聚促进细胞分层，形成多层片层三维组织结构。这一方法目前已应用于人间充质干细胞和视网膜色素上皮细胞，用于生成相关组织结构。

　　(7)磁性纳米颗粒的多功能化和应用

　　随着对磁性纳米材料研究的深入，人们已经不满足于单一功能颗粒的应用，从而逐渐构建了多功能的磁性纳米颗粒。同时在磁性纳米颗粒表面连接多种功能性分子，如抗体、药物分子、报告基因等，就构成了多功能磁性纳米颗粒。当这种多功能磁性纳米颗粒靶向到肿瘤部位后，颗粒就可以对肿瘤进行诊断和治疗(药物治疗和磁致热疗)。

　　2．工业技术应用

　　(1)在磁记录方面的应用

　　在20世纪计算机刚被发明的时候，利用的存储设备是磁带。随着技术的进步，人类发现了巨磁阻效应(磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象)，并成功地应用这一原理，开发出容量各异的硬盘。硬盘是利用磁颗粒的磁性来记录数据，硬盘的盘片数量和盘片大小都已标准化，由于物理尺寸限制，若要提升硬盘的容量，就必须提高磁区的存储密度。随着纳米加工技术的进步，用于存储的磁颗粒也是越来越小，目前，采用三维立体存储技术已经可以实现容量为3TB的商业化存储。

　　(2)在纳米永磁材料方面的应用

　　在一定条件下，磁性纳米材料可得到单磁畴结构，这是它的特点之一，性能比普通永磁材料更优越，其永磁性能可以随合金的组元、含量和制造工艺等不同而有显著的变化。目前，研究较多的主要有铁钴钒系、钕铁硼系和铁铬钻系，这些合金掺杂少量其他元素如钛、铜、钴、钨等还可进一步改善其永磁性或加工性。在此基础上，以稀土永磁材料制成的电机高效节能，符合节能减排的要求。

　　(3)在纳米吸波材料领域的应用

　　随着雷达、微波通信、电子对抗等军用、民用科学技术的发展，对微波吸收材料提出了更高的要求，虽然有很多材料都具备吸波性能，但是要满足广谱吸收的要求，还要数磁性纳米吸波材料。纳米铁氧体具有复介质吸收特性，是微波吸收材料中较好的一种。将类似铁氧体的纳米磁性材料放人涂料中，能够使涂料既有优良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散红外线性能。

　　(4)用作气敏传感器

　　根据纳米粒子的表面效应(当外界环境发生变化时，粒子表面或界面上的离子价态和电子亦发生变化的特点)，适当掺杂重金属可使磁性纳米材料的电导和灵敏度得以显著提高。因此，可将纳米氧化铁制成灵敏的传感器，用于氢气、乙醇、一氧化碳及其他有毒气体的检测。

　　3．环境治理应用

　　(1)水处理

　　磁性纳米材料由于比表面大的特点，对六价铬具有较好的吸附作用，可以在较宽酸度范围吸附大量的六价铬，并且吸附效率高，吸附时间短，材料可以重复使用，对于处理环境污水中的六价铬具有一定的应用价值。同时，磁性纳米材料对水中的砷也具有很好的吸附能力，而且砷一旦被吸附就很难分离。在试验中，水中悬浮着的纳米磁性材料在磁场作用下都被移出了溶液，只剩下净化水，可以使饮用水中砷污染物含量降低到美国环保署要求的水平。

　　(2)吸附脱硫

　　吸附脱硫由于可在常温常压条件下操作，并对有机硫有较高的吸附选择性，在深度脱硫方面显示出特有的优势，是目前燃油脱硫采用的主要技术之一，但缺点是吸附剂很难从燃固油中分离出来。而磁性纳米材料在分离中的主要用途之一是吸附脱硫，磁载体技术可以克服目前常用一些脱硫技术(如离子交换、沉淀、吸附、离子浮选、反相渗透技术)的局限性，显示出巨大的应用前景，引起了人们的极大兴趣。在实际应用中，一方面可以利用核磁响应的特性，使得材料综合各单一组分材料的优异性能，又可以利用分子筛的吸附和较易改性特性，使得吸附剂很容易被富集，进而从燃油中分离出来。

　　4．其他应用

　　(1)用作透明颜料

　　由于纳米氧化铁具有明显的小尺寸效应，可以导致光的绕射，从外观上看是透明的，当其分散在透明介质中制成连续的薄膜时具有透明的着色效果，所以又称之为透明氧化铁。纳米氧化铁具有很好的耐温、耐候、耐酸碱以及高彩度、高着色力、高透明度和强烈吸收紫外线等卓越性能，是传统氧化铁颜料无法比拟的，这使得透明氧化铁在高档汽车面漆、建筑涂料、防腐涂料等粉末涂料及塑料尼龙橡胶、油墨等许多领域中都得到了广泛应用。

　　(2)用作催化剂

　　纳米粒子制成催化剂的活眭、选择性都高于普通催化剂，还具有寿命长、易操作等特点。目前，磁性纳米催化剂主要应用于固体酸催化、固体碱催化、Heck催化、光催化、催化氧化等领域。总之，磁性纳米材料的应用可谓涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科技的诞生将对人类社会产生深远的影响，21世纪初的主要任务是利用纳米材料各种新颖的物理、化学和生物特性设计出各种新型材料和器件，通过纳米技术对传统产品的改性，发展纳米结构的新型产品，增加其科技含量。目前，这项工作已展现出广阔的前景，具备了形成经济新增长点的基础。而磁性纳米材料作为纳米材料科学领域一个明星，在新材料、能源、信息、生物医学等各个领域将发挥重要作用。