磁性纳米材料范文

磁性纳米材料范文磁性纳米材料范文 磁性物质的应用可以一直追溯到中国古代 早在公元前4世纪 我们 的祖先就开始利用磁性材料 并且制造出4大发明之一的指南针 用 于军事和航海 因此 磁性物质的研究是一个古老而重要的领域 也是工业应用方 面广泛研究的课题 纳米材料与常规粗晶材料具有很大性质上的不同 除了具有普通材 料的性质之外 还具有特殊的纳米效应 所以 纳米材料具有许多 优异的光学 电学 热学 磁学和力学性质 已成为新世纪材料科 学研究的热点 并给传统的磁性产业带来了跨越式发展的重大机遇 和挑战 纳米尺度磁性材料的发展 使材料的磁性能发生了量变到质变的飞 跃 显著地提高了材料的磁性能 磁性材料作为材料中的一个重要成员 一直紧密伴随着纳米科技的 发展 是纳米材料学中不可或缺的一部分 研究表明 当材料的尺寸进入纳米尺度后 比表面积急剧增大 表 面能相应升高 量子效应体现出来 使得磁性纳米材料具有一些奇 异的物理性质 为此 磁性纳米材料成为信息 生物 化学材料等 领域的一个研究热点 一 磁性纳米材料的制备在人们所熟知的大量磁性材料中 由于不 能同时满足高饱和磁化强度和稳定性高的要求 饱和磁化强度高但 稳定性低的材料应用在一定程度上受到了限制 目前可选作磁性微粒的仅有少数几种 主要为金属氧化物 如三氧 化二铁 Fe2O3 MFe2O4 M Co Mn Ni 四氧化三铁 Fe3O4 二元和三元合金 如金属铁 钴 镍及其铁钴合金 镍铁合金 以及钕铁硼 NdFeB 镧钴合金 LaCo 合金等 它们的稳定性 即 抗氧化能力 依次递减 但饱和磁化强度却按上述次序递增 纳米科技的发展 使这些磁性材料的应用成为可能 目前 磁性材 料纳米化已成为材料科学的一个发展趋势 磁性纳米材料的制备技术决定了其性质 关系着最终工业应用 目前磁性纳米材料制备技术可以有多种分类 一种是分做物理法和 化学法 另一种是按照物质状态进行分类 如固相法 液相法和气 相法 其中 固相法包括非晶晶化法和高能球磨法 液相法包括喷雾法 沉积法 蒸发法 溶胶凝胶法 溶剂挥发分解法及电沉积法 气相 法包括熔融金属反应法 气体冷凝法 真空蒸镀法 溅射法 激光 诱导法 电加热蒸发法 混合等离子法及化学气相沉积法等 这些方法各有其优缺点非晶晶化法是在非晶基础上通过退火的热处 理方式实现纳米晶化的种方法 高能球磨法是在高能球磨机中 将 几十微米的磁性材料粗颗粒通过与研磨球 研磨罐及颗粒之间的频 繁碰撞 使这些微米的固体颗粒发生反复地被挤压 变形 断裂 焊合等强烈的塑性变形 磁性材料颗粒表面的缺陷密度增加 晶粒 逐渐细化 直至形成纳米级磁性颗粒 球磨法工艺操作简单 成本也较低 但使用该法制备的磁性纳米材 料容易引进杂质 很难得到均匀而细小的颗粒 同时还存在分散性 较差 晶体缺陷较多 颗粒稳定性较低 能耗很大的缺点 溶胶凝胶法是利用金属有机或无机化合物作为前体 经溶液 溶胶 凝胶而固化 优点是工艺简单 反应物种多 产物颗粒均 一 过程易控制 分散性好 易实现高纯化 反应周期短 反应温 度低 但是制备成本高 而且还需要高温煅烧 这对小粒径磁性纳 米颗粒的合成不利 机械合金化法能制备出常规方法难以获得的高熔点金属和合金纳米 材料 还可以制备纳米金属间化合物 互不相溶体系的固溶体及纳 米晶陶瓷复合材料等 该法工艺简单 效率高 因而是制备磁性纳 米材料的一种有效工艺方法 溅射法是工艺比较成熟的方法 产量大 工艺过程比较简单 成本 低 晶粒度容易控制 但缺点是由于辊表面不可避免地存在一些缺 陷 因而通过此法制得的条带存在微裂纹等缺陷 并且利用该方法 只能制备出二维的磁性纳米材料薄带 沉淀法包括共沉淀法 均匀沉淀法和直接沉淀法 共沉淀法适合制 备氧化物 是在混合的金属盐溶液中添加沉淀剂 即得到组分均匀 的溶液 再进行热分解 特点是简单易行 但产物纯度低 粒径大 直接沉淀法是使溶液中的金属阳离子直接与沉淀剂发生化学反应 而形成沉淀物 均匀沉淀法是在金属盐溶液中加入沉淀剂溶液时不 断搅拌 使沉淀剂在溶液中缓慢生成 消除了沉淀剂的不均匀性 化学气相沉积法也称气相化学反应法 制备的产物颗粒细小 形貌 均匀 具有良好的分散性 高温分解法是在高沸点有机溶剂中加热分解有机金属化合物来制备 纳米粒子 微乳液法是将2种互不相溶的液体通过表面活性剂分子作为界面膜 形成热力学稳定 各向同性的分散体系 这样可使成核 生长 聚 结 团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内 从而可形成球形颗 粒 又避免了颗粒之间进一步团聚 因此 该方法所得纳米颗粒粒 径分布窄 且单分散性 界面性和稳定性好 同时 与其他方法相 比 还具有实验装置简单 粒径易于控制 能耗低 适应面广等优 点 二 磁性纳米材料的应用发展趋势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入人体后 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 钕铁硼系和铁铬钴系 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入涂料中 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性 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 三 磁性纳米材料的特点量子尺寸效应 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