1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

نانوذرات مگنتیت: روش های تهیه، اصلاح سطح و کاربردهای آن

افراد مقاله : ‌ نویسنده اول - ملیحه پوراسمعیل , نویسنده دوم - حسن نمازی

موضوع : آموزش و ترویج کلمات کلیدی : مگنتیت - اصلاح سطح - سنتز تاریخ مقاله : 1397/03/07 تعداد بازدید : 723

مگنتیت یکی از انواع اکسید آهن است که به دلیل ویژگی های منحصر به فرد خود در مقایسه با سایر نانومواد، توجهات زیادی را به خود جلب کرده است؛ این ماده کاربردهای گسترده ای در حوزه های مختلف دارد. روش های فیزیکی و شیمیایی متعددی برای تهیه نانوذرات مگنتیت وجود دارد. مگنتیت در ابعاد نانو دارای خاصیت سوپر پارامغناطیسی، نسبت سطح به حجم بالا و خاصیت زیست سازگاری است. به دلیل این ویژگی های ممتاز، نانوذرات مگنتیت در حوزه هایی نظیر طراحی کاتالیست برای واکنش های آلی، تصفیه ی آب و پساب از آلاینده هایی همچون فلزات سنگین و رنگ ها، تصویر‌برداری از بافت تومور، دارورسانی هدفمند و... مورد استفاده قرار گرفته اند. در این مقاله به خلاصه ای از ویژگی ها، روش های سنتز نانوذرات مگنتیت، اصلاح سطح و نیز کاربرد آن در برخی از حوزه ها اشاره شده است.

 

 

1-     مقدمه

واژه‌ی نانو‌ساختار اغلب برای توصیف موادی با مقیاس nm 100-1 به کار می‌رود که در مقایسه با اجزا‌ی توده‌ای یا اتمی به‌دلیل اثر مزوسکوپیک1، اثر کوچکی ابعاد2، اثر اندازه کوانتومی3 و اثر سطح4 دارای خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به‌فردی هستند. در میان نانو‌ذرات، نانو‌ذرات اکسید آهن نمونه‌ای از نانو‌مواد پرکاربرد است؛ شانزده فاز برای اکسید‌های آهن وجود دارد. ویژگی این ترکیبات، شکل سه ظرفیتی آهن، حلالیت پایین و رنگ خاص آن‌ها است. در بین اکسید‌های آهن نانو‌ذرات مگنتیت (Fe3O4) به‌دلیل خاصیت سوپر پارامغناطیسی، دمای کوریه5 پایین، غیر سمی بودن و... بیشتر از سایر اکسید‌های آهن مورد توجه قرار گرفته است [1-3]. مگنتیت دارای ساختار کریستالی اسپینل معکوس است (شکل 1-الف) که در آن هر سلول واحد شامل 32 اتم اکسیژن است. اتم‌های اکسیژن موجود در ساختار مگنتیت در آرایش ساختاری مکعبی وجوه پر6 قرار دارند. طول لبه سلول واحد برابر nm 839/0 است. در این ساختار کریستالی یون‌های (Fe (II و نیمی از یون‌های (Fe (III محل‌های اکتاهدرال را اشغال می‌کنند. نصف دیگر یون‌های (Fe (III در محل تتراهدرال قرار می‌گیرند. اتم‌های آهن دو ظرفیتی به‌دلیل داشتن انرژی پایداری میدان بلور7 (CFSE) بالا، ترجیح می‌دهند تا محل‌های اکتاهدرال را اشغال کنند. این در حالی است که یون‌های Fe (III) در صورت قرار گرفتن در هر کدام از محل‌های اکتاهدرال یا تتراهدرال انرژی پایداری میدان بلور برابر با صفر را خواهند داشت. ساختار کریستالی مگنتیت مسئول خصوصیات مغناطیسی و رنگ مشاهده شده برای آن است. رنگ سیاه مگنتیت از انتقال بار بین یون‌های (Fe (II و Fe (III در ساختار کریستالی آن حاصل می‌شود. خصوصیات مغناطیسی هم ناشی از نحوه‌ی قرار‌گیری اتم‌های (Fe (II و (Fe (III در محل‌های اکتاهدرال و تتراهدرال است. در این مقاله، خلاصه‌ای از تحقیقات مربوط به تهیه، اصلاح سطح و برخی کاربرد‌های نانوذرات مگنیت مورد بحث قرار گرفته می‌شود [4].

 

2-     روش‌های سنتز نانو‌ذرات مگنتیت

با این‌که نانو‌ذرات مگنتیت به روش‌هایی چون پلی ال [5]، تکنیک‌های پیرولیز با لیزر، الکتروشیمیایی [6] و سنتز به‌وسیله‌ی میکروارگانیسم‌ها و باکتری‌ها [7] تولید می‌شوند، از رایج‌ترین روش‌های استفاده شده برای سنتز مگنتیت می‌توان به روش هم‌رسوبی، سونوشیمیایی، سل-ژل، سنتز بدون حلال، هیدروترمال، تجزیه حرارتی و میکروامولسیون اشاره کرد که در بخش‌های زیر به توضیح آن‌ها می‌پردازیم.

2-1- روش هم‌رسوبی8

روش هم‌رسوبی یک روش ساده و متداول برای سنتز نانو‌ذرات مگنتیت از محلول آبی نمک‌های آن‌هاست. از مزایای این روش می‌توان به استفاده از آب به عنوان حلال، بازده و خلوص بالا و سهولت تنظیم شرایط واکنش اشاره کرد. واکنش هم‌رسوبی در اتمسفر خنثی و با افزایش باز به محلول نمک‌های آهن، در دمای اتاق یا بالاتر صورت می‌گیرد. رسوب مگنتیت در محیطی با محدوده 14-8 pH= و با نسبت استوکیومتری 2: 1 (Fe3+/Fe2+) به‌دست می‌آید. اندازه، شکل و ترکیب نانو‌ذرات مگنتیت حاصل به نسبت Fe2+/Fe3+، دمای واکنش، نوع باز استفاده شده، سرعت هم‌زدن و... وابسته است. در صورت افزایش نسبت یون‌های فروس به فریک، ذرات هیدروکسید بزرگتری به عنوان ماده سازنده Fe3O4 تشکیل شده و قطر نانوذرات Fe3O4 به‌دست آمده افزایش خواهد یافت. تأثیر دما به هنگام سنتز Fe3O4 به گونه‌ای است که در زیر دمایC°60 اکسی هیدروکسید هیدراته تشکیل شده که به آسانی به Fe2O3 تبدیل می‌شود. در صورتی که دمای واکنش بالاتر ازC °80 تنظیم شود، تشکیل Fe3O4 مطلوب است. بررسی‌ها نشان داده که وقتی از باز NH4OH به‌جای NaOH استفاده شود، ذرات Fe3O4 به‌دست آمده دارای خاصیت کریستالی و مغناطیس پذیری اشباع بالا9 هستند، اما اندازه کوچکتر‌ی خواهند داشت. مطالعات مربوط به بررسی سرعت هم‌زدن نشان داده است که هم‌ زدن سریع منجر به انتقال انرژی به محلول شده و قطرات در محلول کاملاً پراکنده می‌شوند؛ از این‌رو نانو‌ذرات حاصل ابعاد کوچک‌تری خواهند داشت. البته در مورد افزایش سرعت هم‌زدن باید دقت کرد چون در سرعت‌های خیلی بالا Fe3O4 اکسید می‌شود [8, 9].

2-2- روش سونوشیمیایی10

اثرات فیزیک و شیمیایی التراسونیک ناشی از حفرات صوتی است. در این فرایند حفرات صوتی در نتیجه تشکیل، رشد و فروریزش11 درونی حباب‌ها در محلول ایجاد می‌شوند. فروریزش درونی حباب‌ها از طریق تراکم آدیاباتیک یا تشکیل موج شوک12درون فاز گازی حباب فروریزش کننده، نقاط داغ13 تولید می‌کند. شرایط این نقاط گرم به صورت دمای گذار K5000، فشار atm18000 و سرعت خنک شدن بیش ازKS-11010 است. این شرایط ضمن این‌که برای تشکیل فاز جدید سودمند است، بر روی شکستن لخته‌ها نیز تأثیر دارد. از مزایای دیگر روش سونو شیمیایی می‌توان به بالا بودن خاصیت کریستالی و مغناطیسی محصول نسبت به روش هم‌رسوبی اشاره کرد [6, 10-12].

2-3- روش سل-ژل14

فرایند سل-ژل یک فرایند شیمیایی برای سنتز نانوذرات از مواد اولیه معدنی یا ترکیبی از ماده آلی-معدنی است. ساختار و ترکیب نانو اکسید‌های تهیه شده با روش سل-ژل به شرایط سنتز، ماهیت پیش ماده، حلال، دما و pH وابسته است. از مزایای این روش می‌توان به دستیابی به مواد مناسب به‌دلیل توانایی کنترل فرایند سنتز، وجود سیستم‌های چند جزئی همگن به‌دلیل مخلوط شدن در محیط مایع و دمای پایین برای فرایند دادن به مواد اشاره کرد. سازوکار روش براساس هیدروکسیل‌دار شدن و تراکم پیش ماده‌های مولکولی در مایع استوار است. تراکم بیشتر و پلیمریزاسیون معدنی منجر به تشکیل شبکه سه بعدی می‌شود که ژل نامیده می‌شود [1, 13].

2-4- سنتز بدون حلال

این روش یک روش غیر سمی و اقتصادی برای تولید نانوذرات مگنتیت است که در آن از نمک‌های آهن (FeCl2.4H2O) یا (FeCl3.6H2O) و یک باز جامد (NaOH) استفاده می‌شود. واکنش با مخلوط کردن نمک‌های آهن، باز و سورفاکتانت در درون هاون و در دمای اتاق و داخل یک جعبه مجهز به ورودی گاز آرگون انجام می‌شود. از مزایای این روش می‌توان به سهولت و عدم نیاز به تکنیک‌های پیچیده، عدم نیاز به حلال، کوتاه بودن زمان واکنش، بازده بالا و یکنواخت بودن اندازه‌ی ذرات اشاره کرد [14].

2-5- روش هیدرو ترمال15

در این روش برای سنتز اکسید آهن از پیش ماده‌های آلی فلزی نظیر کربنات‌های آهن و یا استیل استونات آهن دارای زنجیره بلند کربن، با گروه عاملی کربوکسیلیک یا آمین استفاده می‌شود. واکنش هیدرو ترمال در مجاورت سورفاکتانت و در دمای بالاتر از C°200 و فشار بیشتر از 14 بار صورت می‌گیرد. از مزایای این روش می‌توان به باریک بودن محدوده توزیع اندازه ذرات، لخته نشدن کریستال‌ها به‌دلیل حضور عوامل پایدارکننده، خلوص و چگالی خیلی بالا اشاره کرد [13].

2-6- میکرو‌امولسیون16 یا مایسل17 معکوس

میکرو‌امولسیون را می‌توان به صورت پراکندگی دو مایع غیر قابل امتزاج با پایداری ترمودینامیکی توصیف کرد. میکرو‌امولسیون‌ها را به دو دسته روغن در آب و آب در روغن طبقه‌بندی می‌کنند. در هر دو نوع میکرو‌امولسیون، فاز پخش شده حاوی قطراتی است که به طور مجزا در ابعاد Å1000-100 در فاز دیگر پراکنده شده‌است. در صورتی‌که سورفاکتانت به مخلوط آب و روغن اضافه شود، یک سیستم میکرو‌امولسیون کامل به‌دست می‌آید. سورفاکتانت به عنوان عامل فعال سطحی در مرز بین دو فاز جایگزین شده و کشش بین روغن-آب را به مقدار ملاحظه‌ای کاهش می‌دهد. در مایسل معکوس واکنش درون حوضچه‌های آبی صورت می‌گیرد و در ادامه رشد ذرات متوقف و اندازه آن‌ها محدود می‌شود. از آن‌جا که حوضچه‌های آبی دارای اندازه‌ها‌ی یکنواخت هستند، این روش یکی از بهترین روش‌ها برای تولید نانو‌ذرات مگنتیت با اندازه معین است [15, 16].

 

3-     اصلاح سطح مگنتیت

نانو‌ذرات مگنتیت دارای گروه‌های هیدروکسیل زیادی برروی سطح خود هستند. گروه‌های هیدروکسیل جذب شده برروی سطح نانو‌ذرات مگنتیت اجزای فعالی هستند که می‌توانند با اسید یا باز واکنش دهند؛ از این‌رو شیمی سطح ذرات مگنتیت به شدت به pH محیط وابسته است (شکل 1-ب). همچنین گروه‌های هیدروکسیل با دیگر آنیون‌های معدنی و آلی واکنش می‌دهند و نیز می‌توانند کاتیون‌ها یا پروتون‌ها را نیز برروی خود جذب کنند. پیشتر اشاره شد که نانو‌ذرات مگنتیت دارای خواص مغناطیسی و مساحت سطح بالایی هستند؛ از این‌رو تمایل به لخته شدن و اکسیداسیون دارند. به منظور جلوگیری از این رویداد‌ها، فرایند احاطه کردن18 نانوذرات به‌وسیله‌ی عوامل حفاظتی ضروری است.پایداری سوسپانسیون کلوئیدی در نتیجه عوامل حفاظتی، به‌دلیل برقراری تعادل بین نیرو‌های دافعه و جاذبه ناشی می‌شود [14].

3-1- پوشش‌های آلی

سورفاکتانت‌ها [17] و پلیمر‌ها [18] متداول‌ترین عوامل حفاظتی آلی هستند. این مواد را می‌توان در حین یا بعد از سنتز نانو‌ذرات مگنتیت به آن اضافه کرد. اتصال این عوامل حفاظتی به سطح می‌تواند به‌صورت فیزیکی و یا شیمیایی صورت گیرد. در حقیقت سورفاکتانت‌ها و پلیمر‌ها غالبا با افزایش دامنه فضایی بین ذرات، مانع لخته شدن آن‌ها می‌شوند.

3-1-1- سورفاکتانت‌ها

سورفاکتانت‌ها مولکول‌های دو خصلتی19 هستند که دارای هر دو بخش آب‌دوست و آب‌گریز هستند. در صورتی که دو فاز غیر قابل امتزاج با سورفاکتانت با غلظتی بالاتر از غلظت بحرانی مایسل20 مخلوط شوند، سورفاکتانت به ساختار‌هایی به‌نام مایسل تبدیل می‌شوند. در این ساختار انتهای آب‌گریز مولکول به سمت فاز آلی و انتهای آب‌دوست به سمت فاز آبی جهت‌گیری می‌کند. از این پدیده می‌توان برای حفاظت فلزات یا نانوخوشه‌ی اکسید فلزات، با به دام انداختن آن‌ها درون مایسل استفاده کرد [19].

3-1-2- اصلاح سطح براساس پلیمریزاسیون

با وجود روش‌های گوناگون پلیمریزاسیون برای اصلاح سطح نانوذرات، پلیمریزاسیون رادیکالی و پلیمریزاسیون یونی مناسب‌ترین گزینه برای اصلاح نانوذرات به‌وسیله‌ی پلیمر‌ها هستند. حلال، آغازگر، نسبت مونومر به آغازگر و ساختار سطح از جمله عواملی هستند که می‌توانند پلیمریزاسیون را تحت تأثیر قرا دهند. استفاده از پلیمر به عنوان عوامل حفاظتی، وابسته به هدف کاربردی است. در حالت کلی دو روش برای اصلاح سطح نانوذرات با یک پوشش پلیمر وجود دارد (شکل 2).

الف: روش پیوند به سطح21

ب: روش پیوند از سطح22

در روش «الف» یک پلیمر از پیش سنتز شده با یک گروه انتهایی مناسب از طریق یک واکنش خاص بین گروه انتهایی و عامل اتصال دهنده به نانو‌ذرات مگنتیت متصل می‌شود (شکل 2-الف). در روش ب زنجیر‌های پلیمر از محل‌های اتصال به نانوذرات مگنتیت از طریق فرایند‌های گرمایی یا فتوشیمیایی شروع به رشد کردن می‌کنند (شکل 2-ب). در مقایسه این دو روش باید گفت که روش «ب» به‌دلیل توانایی تنظیم ضخامت پوسته پلیمری با کنترل شرایط سنتز پلیمر، امکان دستیابی به پوسته غلیظ و تشکیل اتصال دائمی از پلیمر روی سطح ترجیح داده می‌شود [20, 21].

3-2- پوشش با مواد معدنی

ترکیبات معدنی متعددی نظیر سیلیکا، کربن [22]، فلزات گران‌بها و آلومینا [23] به منظور حفاظت نانو‌ذرات مغناطیسی استفاده می‌شوند که در ادامه به برخی از رایج‌ترین آن‌ها اشاره شده است.

3-2-1- پوشش با سیلیکا

پوشش با سیلیکا رایج‌ترین شیوه برای حفاظت سطح نانو‌ذرات مگنتیت است. این نوع پوشش به‌ویژه در حوزه‌ی کاتالیزور‌ها و دارورسانی کاربرد بیشتری دارد. فرایند پوشش دهی نانو‌ذرات مغناطیسی آهن با سیلیکا به‌دلیل حضور گروه‌های هیدروکسیل روی سطح آن یک فراینده ساده است. برای پوشاندن نانو‌ذرات اکسید مغناطیسی آهن با سیلیکا اغلب از فرایند سل-ژل استفاده می‌شود. قبل از پوشش با سیلیکا، انتخاب غلظت پایینی از نانو‌ذرات مغناطیسی و نیز قرار دادن آن در معرض فراصوت برای تهیه ساختار هسته-پوسته معمولی ضروری است؛ در غیر این صورت اکسید آهن چند هسته‌ای قرار گرفته در درون پوسته‌ی سیلیکا، تشکیل می‌شود. پوشاندن نانو‌ذرات مگنتیت از طریق فرایند سل-ژل به‌دلیل داشتن مزایایی نظیر سهولت تشکیل پوشش سیلیکا، امکان کنترل ضخامت پوسته‌ی سیلیسی با تنظیم غلظت عامل اصلاح کننده‌ی سیلیسی، توانایی اصلاح نانو‌ذرات مغناطیسی پوشش داده شده با سیلیکا با عوامل کوپل کننده‌ی سیلان دیگر یا ترکیبات دیگری نظیر تیتانیا و زیرکونیا، حفاظت اکسید آهن از نمک شویی23 در شرایط اسیدی و توانایی استفاده در حوز‌ی بیولوژیکی به یکی از گسترده‌ترین روش‌های حفاظتی تبدیل شده است [24-26].

3-2-2- پوشش با فلزات گران‌بها

فلزات گران‌بها می‌توانند به روش‌های مختلف بر روی نانوذرات مغناطیسی قرار بگیرند و در نتیجه، آن‌ها را از اکسایش محافظت کنند. در بین فلزات گران‌بها استفاده از طلا به‌دلیل داشتن واکنش‌پذیری پایین، توانایی عامل‌دار کردن با گروه‌های تیول و امکان اتصال لیگاند‌های پرکاربرد به سطح، مطلوب‌تر است. در ضمن پوشش نانو‌ذرات اکسید آهن با طلا منجر به پایداری این ترکیب در شرایط محیطی خنثی و اسیدی می‌شود [27].

 

4-     کاربرد نانوذرات مگنتیت

نانو‌ذرات مگنتیت که از یک هسته معدنی اکسید آهن زیست سازگار تشکیل شده‌اند، به‌وسیله‌ی سلول‌ها و با استفاده از مسیر‌های بیوشیمی نرمال قابل بازیابی هستند. به دلیل ویژگی‌های منحصر به‌فرد نانو‌ذرات مگنتیت، نظیر توانایی پاسخ گویی به میدان مغناطیسی خارجی و نیز نسبت سطح به حجم بالا توجهات بسیاری را برای امکان سنجی کاربردشان در بسیاری از حوزه‌ها نظیر دارورسانی هدفمند، تصویربرداری سلولی، طراحی کاتالیزور برای واکنش‌های آلی و تصفیه آب و پساب به خود جلب کرده‌اند.

4-1-دارو رسانی هدفمند

سمیت پایین و زیست سازگاری بالای نانو‌ذرات مگنتیت منجر به گسترش کاربرد نانو‌ذرات مگنتیت در دارورسانی هدفمند شده است. با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی نانو‌ذرات می‌توانند به بافت مورد نظر هدایت شده و دارو را در محل هدف آزاد کنند. انتقال هدفمند دارو منجر به کاهش اثرات جانبی دارو به بافت‌های سالم اطراف شده همچنین دوز داروی مورد نیاز را کاهش می‌دهد. برای افزایش زیست سازگاری نانو‌ذرات مگنتیت جهت استفاده در حوزه دارورسانی، نانو‌ذرات مگنتیت به‌وسیله‌ی پوشش‌های آلی یا معدنی اصلاح می‌شوند [6]. پوشش نانوذرات مگنتیت با ترکیب مناسب می‌تواند بارگذاری، تحویل دارو و نیز آزادسازی آن را کنترل کند. علاوه‌براین پوشش‌های مناسب می‌توانند از سمیت نانوذره کاسته و منجر به افزایش زیست سازگاری آن شوند. داروهای سرطانی زیادی از طریق برهمکنش‌های مختلف برروی حامل دارویی مغناطیسی بارگزاری شده‌اند. پوشش نانو‌ذرات مگنتیت با پلیمر‌ها یک روش ایده‌آل در دارورسانی است؛ زیرا علاوه‌بر کاهش سمیت حامل، از لخته شدن نانو‌ذرات مگنتیت نیز جلوگیری می‌کند [28]. طی تحقیقی زهره24 و همکارانش نانو‌ذرات مگنتیت پوشش داده شده با کوپلیمر زیست سازگار و حساس را تهیه و روند بارگذاری و آزاد‌سازی داروی دوکسوروبیسین25 را مورد بررسی قرار دادند. مطالعات آن‌ها نشان داد که سیستم تهیه شده توانایی آزاد‌سازی کنترل شده را دارد؛ ضمن این‌که سمیتی برای ایجاد نمی‌کند [29].

4-2-گرمادرمانی

یکی دیگر از کاربرد‌های نانو‌ذرات مگنتیت در حوزه‌ی پزشکی، درمان سلول‌های سرطانی با روش گرمادرمانی است. برای نابودی سلول‌های سرطانی با روش گرمادرمانی لازم است که دمای بافت مورد نظر افزایش یابد. در این روش درمانی بیمار تحت تابش امواج الکترومغناطیسی غیر یونیزه‌کننده قرار می‌گیرد و این تابش امواج سبب افزایش دما در بافت تومور می‌شود. از آنجا که سلول‌های سرطانی نسبت به سلول‌های سالم به افزایش دما حساس‌تر هستند، نابودی انتخابی سلول‌های سرطانی اتفاق می‌افتد [30]. تابش الکترومغناطیسی که در روش گرمادرمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد، در محدوده‌ی امواج فرکانس رادیویی قرار دارد. این ناحیه از تابش کاملاً بی‌ضرر بوده و می‌تواند به اعماق بدن نفوذ کند. حساسیت بالاتر سلول‌های سرطانی به دمای بالاتر از C ° 42 باعث می‌شود که فرآیند‌های آنزیمی طبیعی که سلول‌ها را زنده نگه می‌دارد، مختل و مرگ سلول‌های سرطانی رخ دهد. با این حال، شبیه‌سازی ظاهری این تکنیک نیازمندی‌های مختلفی را برای به دست آوردن اثر مطلوب داراست. برای کاربرد‌های پزشکی لازم است که نانو‌ذرات سوپرپارامغناطیس باشند؛ یعنی با حذف میدان مغناطیسی خارجی مغناطیسی شدن26 آن‌ها صفر شود که در این صورت لخته شدن نانوذرات درون سیستم گردش خون اتفاق نمی‌افتد. به‌علاوه مغناطیسی شدن اشباع تاحد امکان باید زیاد باشد تا بتواند گرمای مورد نیاز برای فرایند گرمادرمانی را ایجاد کند [31].

4-3-تصویربرداری سلولی

تصویر‌برداری رزونانس مغناطیسی27 یک روش مفید برای تصویر‌برداری از بافت‌های بدن، بدون استفاده از تابش یونیزه‌کننده و یا رادیواکتیو است. نانو‌ذرات مغناطیسی اکسید آهن می‌توانند به‌منظور تصویر‌برداری سلولی مورد استفاده قرار گیرند. استفاده از نانو‌ذرات مگنتیت به عنوان عامل کنتراست درمقایسه با ذرات پارامغناطیس متداول باعث افزایش سرعت آسایش پروتون می‌شوند. از این رو مقدار کمتری از یک عامل سوپرپارامغناطیس نسبت به عامل پارامغناطیس برای افزایش وضوح تصویر مورد نیاز است. پارامتر‌هایی همچون شکل نانو‌ذره و میزان پوشش روی آن عوامل تأثیرگذار در رفتار مغناطیسی ذرات هستند. اندازه‌ی نانو برای اکسید مغناطیسی آهن منجر به افزایش نسبت سطح به حجم و به تبع آن افزایش انرژی سطحی نانوذره می‌شود. از سوی دیگر دستیابی به رفتار مناسب نانوذرات در محیط درون تنی28 نیازمند پوشش دهی مناسب نانو‌ذره است. بدون یک پوشش بی‌اثر نانوذرات به سرعت از سیستم گردش خون حذف می‌شوند. ترکیبات زیادی نظیر دکستران [32]، کیتوسان [33]، پلی اتیلن گلیکول و دیگر پلیمر‌ها به منظور پوشش برای نانو‌ذرات مغناطیسی استفاده شده در تصویربرداری رزونانس مغناطیسی، مورد استفاده قرار گرفته‌اند [34].

4-4-کاتالیزور برای واکنش‌های آلی

قابلیت بازیابی و استفاده مجدد از کاتالیزور‌های همگن در نتیجه اتصال آن‌ها به یک پایه29 به‌گونه‌ای که از فعالیت کاتالیزور نیزکاسته نشود، امروزه تبدیل به یکی از تحقیقات مهم در زمینه طراحی کاتالیزور برای واکنش‌های شیمیایی شده‌است. اگرچه کاتالیزور حاصل از اتصال کاتالیزور هموژن به پایه پلیمری یا ترکیبات معدنی هردو مزایای کاتالیزور همگن و ناهمگن را دارد، عمدتاً در نتیجه اتصال از فعالیت کاتالیزور کاسته می‌شود. از این روتلاش‌ها برای رفع این مشکل منجر به استفاده از نانو‌ذرات مگنتیت به عنوان پایه برای کاتالیزور‌های همگن شد. نانوذرات مگنتیت به دلیل دارابودن نسبت سطح به حجم بالا و سطح تماس وسیعی که با واکنشگر‌ها خواهند داشت، سرعت واکنش را افزایش می‌دهند. همچنین درنتیجه استفاده از مگنتیت به عنوان پایه، کاتالیزور نهایی حاصل دارای خاصیت مغناطیسی خواهد بود و به راحتی تحت تأثیر میدان مغناطیسی خارجی می‌تواند از محیط واکنش جدا شود. اتصال کاتالیزور همگن به نانو‌ذرات مگنتیت می‌تواند به‌صورت کوالانسی و یا غیرکوالانسی صورت گیرد. این کاتالیزور‌ها در طیف گسترده‌ای از واکنش‌های کاتالیزوری همچون هیدروژن‌دار کردن، اکسایش، واکنش‌های تشکیل پیوند C-C، C-S، C-N، حلقه زایی و... استفاده شده‌است. برای مثال ثیل30 و همکارانش پالادیم (II) فسفین عامل‌دار شده با تری اتوکسی سایلیل را به سطح نانو‌ذرات مگنتیت متصل و از آن به‌عنوان کاتالیزور ناهمگن برای واکنش سوزوکی آریل برمید‌ها و یدید‌ها استفاده کردند (شکل 3). نتایج نشان داد که در مجاورت یک درصد مولی از این کاتالیزور بهترین بازده حاصل شد، در حالی که استفاده از کاتالیزور پالادیم فسفین دار راندمان متوسطی به دست می‌دهد. کاتالیزور طراحی شده پس از اتمام واکنش با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی از محیط واکنش جدا و به‌وسیله‌ی مخلوطی از کلروفرم و اتانول شسته شد. نتایج نشان داد که این کاتالیزور می‌تواند هفت بار بازیابی و بدون تغییر قابل توجه در بهره‌ی واکنش‌ها مجدداً استفاده شود [35-37].

4-5- تصفیه‌ی آب و پساب از آلاینده‌ها

آلودگی آب به‌وسیله‌ی فلزات سنگین و رنگ‌ها به دلیل اثرات نامطلوب آن برروی سیستم‌های زیست‌محیطی و سلامت انسان تبدیل به یک مشکل جدی شده‌است. فلزاتی مانند سرب، کروم، جیوه و آرسنیک نمونه‌ای از فلزات سنگین هستند که حتی در غلظت‌های پایین هم برای بدن سمی هستند. آلوده شدن آب با آلاینده‌های رنگی خطر مرگ آبزیان و احتمال سرطان برای انسان را در پی دارد. بیش از صد هزار نوع رنگ وجود دارد که در صنایعی نظیر کاغذ، پلاستیک، چرم، نساجی و... مورد استفاده قرار می‌گیرند. با توجه به خطرات زیست‌محیطی و اثرات بهداشتی فلزات سنگین و رنگ‌ها فناوری‌های گوناگونی نظیر ترسیب شیمیایی، تبادل یون و جذب سطحی برای حذف فلزات سنگین و رنگ‌ها توسعه داده شده‌اند. در بین این روش‌ها ‌جذب متداول‌ترین روش برای حذف آلاینده‌هاست. در بین جاذب‌های استفاده شده، نانوذرات مغناطیسی به علت مزایایی نظیرکارایی بالا، قابلیت بازیابی سریع، مساحت سطح بالا، حمل و نقل راحت و هزینه‌ی پایین توجه زیادی را به خود جلب کرده‌است [38, 39]. سان31 و همکارانش نانوذرات مگنتیت اصلاح شده با 3- آمینوپروپیل تری اتوکسی سیلان را تهیه و توانایی حذف رنگ مالاشیت سبز32 را با آن مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که ترکیب تهیه شده کارایی بالایی را برای حذف مالاشیت سبز نسبت به مگنتیت اصلاح نشده نشان می‌دهد که این پدیده را می‌توان به افزایش نسبت سطح به حجم در نتیجه فرایند سایلیلاسیون نسبت داد [40].

 

نتیجه‌گیری

شانزده نوع اکسید آهن وجود دراد که در این بین نانو‌ذرات مگنتیت پرکاربردترین نوع از اکسید آهن است. پیشرفت‌های قابل توجهی در زمینه تولید و اصلاح سطح نانو‌ذرات مگنتیت حاصل شده‌است؛ به‌گونه‌ای که با توجه به هدف کاربردی، امکان انتخاب پیش ماده استفاده شده، روش سنتزی و عامل اصلاح‌کننده مناسب فراهم است. نانو‌ذرات مگنتیت به‌دلیل ویژگی‌های ممتاز خود مانند نسبت سطح به حجم بالا و خاصیت سوپرپارامغناطیسی در حوزه‌های گوناگون مانند طراحی کاتالیزور برای واکنش‌های شیمیایی و حذف آلاینده از آب استفاده شده‌اند. امروزه تحقیقات گسترده‌ای برروی کاربرد نانو‌ذرات مگنتیت در زمینه‌ی پزشکی در حال انجام است؛ زیرا نانو‌ذرات مگنتیت سمیت چندانی برای بافت‌های بدن ندارند و هم‌چنین می‌توانند در تشخیص و درمان بیماری سرطان مورد استفاده قرار گیرند.

 

منابع

[1]  M. Mohapatra and S. Anand, "Synthesis and applications of nano-structured iron oxides/hydroxides-a review," International Journal of Engineering, Science and Technology, vol. 2, no. 8, pp. 127-146, 2010.

[2]  D. L. Leslie-Pelecky and R. D. Rieke, "Magnetic Properties of Nanostructured Materials," Chemistry of Materials, vol. 8, no. 8, pp. 1770-1783, 1996.

[3]  Y. Wei, B. Han, X. Hu, Y. Lin, X. Wang, and X. Deng, "Synthesis of Fe3O4 Nanoparticles and their Magnetic Properties," Procedia Engineering, vol. 27, pp. 632-637, 2012.

[4]  P. Roonasi, "Adsorption and surface reaction properties of synthesized magnetite nano-particles," Luleه tekniska universitet, 2007.

[5]  C. Cheng, Y. Wen, X. Xu, and H. Gu, "Tunable synthesis of carboxyl-functionalized magnetite nanocrystal clusters with uniform size," Journal of Materials Chemistry, vol. 19, no. 46, pp. 8782-8788, 2009.

[6]  M. Faraji, Y. Yamini, and M. Rezaee, "Magnetic nanoparticles: Synthesis, stabilization, functionalization, characterization, and applications," Journal of the Iranian Chemical Society, journal article vol. 7, no. 1, pp. 1-37, March 01 2010.

[7]  A. Arakaki, H. Nakazawa, M. Nemoto, T. Mori, and T. Matsunaga, "Formation of magnetite by bacteria and its application," Journal of The Royal Society Interface, vol. 5, no. 26, pp. 977-999, 2008.

[8]  J. Sun et al., "Synthesis and characterization of biocompatible Fe3O4 nanoparticles," Journal of Biomedical Materials Research Part A, vol. 80A, no. 2, pp. 333-341, 2007.

[9]  H. Iida, K. Takayanagi, T. Nakanishi, and T. Osaka, "Synthesis of Fe3O4 nanoparticles with various sizes and magnetic properties by controlled hydrolysis," Journal of Colloid and Interface Science, vol. 314, no. 1, pp. 274-280, 2007.

[10]            Y. Mansoori, A. Khodayari, A. Banaei, M. Mirzaeinejad, Y. Azizian-Kalandaragh, and M. Pooresmaeil, "Fe3O4-PVAc nanocomposites: surface modification of sonochemically prepared magnetite nanoparticles via chemical grafting of poly (vinyl acetate) ," RSC Advances, vol. 6, no. 54, pp. 48676-48683, 2016.

[11]            E. Hee Kim, H. Sook Lee, B. Kook Kwak, and B.-K. Kim, "Synthesis of ferrofluid with magnetic nanoparticles by sonochemical method for MRI contrast agent," Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 289, pp. 328-330, 2005.

[12]            M. Pooresmaeil, Y. Mansoori, M. Mirzaeinejad, and A. Khodayari, "Efficient Removal of Methylene Blue by Novel Magnetic Hydrogel Nanocomposites of Poly (acrylic acid) ," Advances in Polymer Technology, vol. 37, no. 1, pp. 262-274, 2018.

[13]            S. Laurent, J.-L. Bridot, L. V. Elst, and R. N. Muller, "Magnetic iron oxide nanoparticles for biomedical applications," Future Medicinal Chemistry, vol. 2, no. 3, pp. 427-449, 2018/04/06 2010.

[14]            X.-R. Ye, C. Daraio, C. Wang, J. Talbot, and S. Jin, "Room temperature solvent-free synthesis of monodisperse magnetite nanocrystals," Journal of nanoscience and nanotechnology, vol. 6, no. 3, pp. 852-856, 2006.

[15]            V. Pillai, P. Kumar, M. J. Hou, P. Ayyub, and D. O. Shah, "Preparation of nanoparticles of silver halides, superconductors and magnetic materials using water-in-oil microemulsions as nano-reactors," Advances in Colloid and Interface Science, vol. 55, pp. 241-269, 1995.

[16]            I. I. Yaacob, A. C. Nunes, A. Bose, and D. O. Shah, "Synthesis and Characterization of Magnetic Nanoparticles in Spontaneously Generated Vesicles," Journal of Colloid and Interface Science, vol. 168, no. 2, pp. 289-301, 1994.

[17]            F. Keyhanian, S. Shariati, M. Faraji, and M. Hesabi, "Magnetite nanoparticles with surface modification for removal of methyl violet from aqueous solutions," Arabian Journal of Chemistry, vol. 9, pp. S348-S354, 2016.

[18]            P. Businova et al., "Polymer coated iron oxide magnetic nanoparticles: preparation and characterization," Nanocon, vol. 9, pp. 21-23, 2011.

[19]            E. Peng, F. Wang, and J. M. Xue, "Nanostructured magnetic nanocomposites as MRI contrast agents," Journal of Materials Chemistry B, vol. 3, no. 11, pp. 2241-2276, 2015.

[20]            K. Babu and R. Dhamodharan, "Synthesis of Polymer Grafted Magnetite Nanoparticle with the Highest Grafting Density via Controlled Radical Polymerization," Nanoscale Research Letters, vol. 4, no. 9, pp. 1090-1102, 2009.

[21]            Y. Prai-in et al., "Azlactone functionalization of magnetic nanoparticles using ATRP and their bioconjugation," Polymer, vol. 53, no. 1, pp. 113-120, 2012.

[22]            S. K. Barala, M. Arora, and P. Saini, "Magnetite decorated activated carbon composites for water purification," in AIP Conference Proceedings, 2013, vol. 1536, pp. 1244-1245: AIP.

[23]            L. Sun et al., "Preparation of alumina-coated magnetite nanoparticle for extraction of trimethoprim from environmental water samples based on mixed hemimicelles solid-phase extraction," Analytica Chimica Acta, vol. 638, no. 2, pp. 162-168, 2009.

[24]            S. Shylesh, V. Schünemann, and W. R. Thiel, "Magnetically Separable Nanocatalysts: Bridges between Homogeneous and Heterogeneous Catalysis," Angewandte Chemie International Edition, vol. 49, no. 20, pp. 3428-3459, 2010.

[25]            Y. Lu, Y. Yin, B. T. Mayers, and Y. Xia, "Modifying the Surface Properties of Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles through A Sol−Gel Approach," Nano Letters, vol. 2, no. 3, pp. 183-186, 2002.

[26]            X.-S. Li, G.-T. Zhu, Y.-B. Luo, B.-F. Yuan, and Y.-Q. Feng, "Synthesis and applications of functionalized magnetic materials in sample preparation," TrAC Trends in Analytical Chemistry, vol. 45, pp. 233-247, 2013.

[27]            Z. Ban, Y. A. Barnakov, F. Li, V. O. Golub, and C. J. O'Connor, "The synthesis of core-shell iron@gold nanoparticles and their characterization," Journal of Materials Chemistry, vol. 15, no. 43, pp. 4660-4662, 2005.

[28]            X. Mou, Z. Ali, S. Li, and N. He, "Applications of magnetic nanoparticles in targeted drug delivery system," Journal of nanoscience and nanotechnology, vol. 15, no. 1, pp. 54-62, 2015.

[29]            N. Zohreh, S. H. Hosseini, and A. Pourjavadi, "Hydrazine-modified starch coated magnetic nanoparticles as an effective pH-responsive nanocarrier for doxorubicin delivery," Journal of Industrial and Engineering Chemistry, vol. 39, pp. 203-209, 2016.

[30]            P.-E. L. Renard et al., "Local moderate magnetically induced hyperthermia using an implant formed in situ in a mouse tumor model," International Journal of Hyperthermia, vol. 25, no. 3, pp. 229-239, 2009.

[31]            M. Bañobre-López, A. Teijeiro, and J. Rivas, "Magnetic nanoparticle-based hyperthermia for cancer treatment," Reports of Practical Oncology & Radiotherapy, vol. 18, no. 6, pp. 397-400, 2013.

[32]            J. W. M. Bulte et al., "Dextran-magnetite particles: Contrast-enhanced MRI of blood-brain barrier disruption in a rat model," Magnetic Resonance in Medicine, vol. 23, no. 2, pp. 215-223, 1992.

[33]            H. Lee, H. Shao, Y. Huang, and B. Kwak, "Synthesis of MRI contrast agent by coating superparamagnetic iron oxide with chitosan," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 41, no. 10, pp. 4102-4104, 2005.

[34]            R. A. Revia and M. Zhang, "Magnetite nanoparticles for cancer diagnosis, treatment, and treatment monitoring: recent advances," Materials today (Kidlington, England) , vol. 19, no. 3, pp. 157-168, 2017.

[35]            R. N. Baig and R. S. Varma, "Magnetically retrievable catalysts for organic synthesis," Chemical Communications, vol. 49, no. 8, pp. 752-770, 2013.

[36]            S. Shylesh, L. Wang, and W. R. Thiel, "Palladium (II) -Phosphine Complexes Supported on Magnetic Nanoparticles: Filtration-Free, Recyclable Catalysts for Suzuki-Miyaura Cross-Coupling Reactions," Advanced Synthesis & Catalysis, vol. 352, no. 2-3, pp. 425-432, 2018/04/06 2009.

[37]            Z. Yinghuai, C. Peng Ship, A. Emi, S. Zhenshun, n. Monalisa, and K. R. A., "Supported Ultra Small Palladium on Magnetic Nanoparticles Used as Catalysts for Suzuki Cross-Coupling and Heck Reactions," Advanced Synthesis & Catalysis, vol. 349, no. 11-12, pp. 1917-1922, 2018/04/06 2007.

[38]            M. F. Horst, V. Lassalle, and M. L. Ferreira, "Nanosized magnetite in low cost materials for remediation of water polluted with toxic metals, azo- and antraquinonic dyes," Frontiers of Environmental Science & Engineering, journal article vol. 9, no. 5, pp. 746-769, October 01 2015.

[39]            M. Namvari and H. Namazi, "Clicking graphene oxide and Fe3O4 nanoparticles together: an efficient adsorbent to remove dyes from aqueous solutions," International Journal of Environmental Science and Technology, journal article vol. 11, no. 6, pp. 1527-1536, September 01 2014.

[40]            L. Sun et al., "Malachite green adsorption onto Fe3O4@SiO2-NH2: isotherms, kinetic and process optimization," RSC Advances, vol. 5, no. 16, pp. 11837-11844, 2015.