اکسیدهای آهن از جمله موادی هستند که نه تنها در طبیعت بطور گسترده وجود دارند بلکه در آزمایشگاه ها سنتز و تولید می شوند. این اکسید ها دارای کاربرد های بسیار وسیع در زمینه های علمی و صنعتی مختلف می باشند. به عنوان مثال در علم شیمی، اکسید های آهن در نقش مواد جاذب و همچنین عامل اکسید کننده ظاهر می شوند.
در علم پزشکی و بیولوژی از اکسید های آهن در ردیابی بیماری ها ، و همچنین بعنوان کمپلکس های پلی نوکلیر آهنی، در دارویی به نام فریتین که برای درمان کم خونی مناسب می باشد، استفاده می گردد. در علم کشاورزی، اکسید های آهن در مواد جاذب، مواد مغذی گیاهان و همچنین در طبقه بندی خاکها کاربرد دارند. این ترکیبات ویژه در سایر علوم نظیر الکترونیک، انرژی، خودرو و….. پر کاربرد هستند.
با توجه به اهمیت اکسید های آهن در زمینه های مختلف علمی و صنعتی، در این مقاله به معرفی و بررسی سه ترکیب از پرکاربرد ترین اکسید های آهن در مقیاس نانومتری می پردازیم.
هماتیت (-Fe2O3α)
قدیمی ترین ترکیب در میان اکسید های آهن هماتیت (Fe2O3) است که بطور گسترده در سنگ ها و خاک وجود دارد. این اکسید آهن سرخ رنگ بوده، پایداری بالاتری نسبت به دیگر اکسید های آهن داشته و دارای ساختار هگزاگونال می باشد. این ماده بطورگسترده در قطعات الکترونیکی، باتری های لیتیومی،کشاورزی، بعنوان رنگدانه درصنعت رنگ و همچنین بعنوان کاتالیست در اکسیداسیون الکل ها به آلدهید ها و کتون ها کاربرد دارد. زمانی که فناوری نانو توسعه یافت، هماتیت جزو اولین ترکیباتی بود که محققین روی آن پژوهش کردند تا بتوانند به هماتیت نانومتری دست یابند و کاربرد ها و ویژگی های نوین آن را بررسی کنند. با گذر زمان و پیشرفت نانو تکنولوژی، محققین نشان دادند که نانو ذرات هماتیت را می توان برای کاربرد های پیشرفته استفاده نمود که به معرفی تعدادی از آنها می پردازیم:
اخیرا موضوع انرژی های تجدید پذیر مورد توجه بوده و تلاش ها بر این است تا بتوان جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی پیدا نمود. در سال گذشته (2022) پژوهشگران برای تولید الکتریسیته از آب از طریق فرآیند جدایش آب (Water Splitting) دستگاهی توسعه دادند تحت عنوان سلول هیدروالکتریکی (Hydroelectric Cell – HEC) که در آن از نانو ذرات هماتیت استفاده می گردد. نانو ذرات هماتیت از طریق سلول های توسعه داده شده به فرآیند جدایش آب کمک کرده و امکان دستیابی به الکتریسیته را بدون کوچکترین آلایندگی امکان پذیر می کنند.
همانطور که گفته شد هماتیت پایدار ترین اکسید آهن است و این موضوع باعث شده تا نانو ذرات هماتیت گزینه مناسبی برای جداسازی عناصر فلزی سمی و سنگین نظیر کبالت، نیکل، جیوه، سرب و…. از پساب های صنعتی باشد. نانو ذرات هماتیت به علت برخورداری از سطح ویژه بالا و حفرات سطحی نانو متری قابلیت بالایی در جذب یون های فلزات سنگین را دارند. زمانی که نانو ذرات هماتیت وارد پساب می گردند یون های فلزات سنگین به راحتی روی سطح این نانو ذرات تجمع کرده و آب تصفیه می گردد. علاوه بر این موضوع، پایداری شیمیایی بالای هماتیت کمک می کند تا نانو ذرات هماتیت در پساب های صنعتی با خورندگی بالا مقاومت داشته و بازدهی بالای خود را حفظ کنند.
دیگر کاربرد مهم و جدیدی که در آن از نانو ذرات هماتیت استفاده شده است درمان بیماری هایی نظیر سرطان با استفاده از فرآیند فنتون می باشد. این موضوع به طور مفصل در مقاله ای دیگر که قبلا در سایت منتشر شده توضیح داده شده است.
مقاله پیشنهادی: فرآیند فنتون در نانو اکسید آهن و کاربرد آن در درمان سرطان
مَگِمایت (-Fe2O3γ)
مگمایت دیگر اکسید پرکاربرد آهن است که از لحظ ویژگی های ظاهری مشابه با هماتیت بوده و به رنگ سرخ می باشد اما وجه تمایز آنها خواص مغناطیسی قوی مگمایت نسبت به هماتیت است که امکان تشخیص این دو اکسید آهن از یکدیگر را بدون استفاده از تجهیزات پیشرفته ممکن می سازد.
از دیدگاه مغناطیس، هماتیت ترکیبی آنتی فرومغناطیس با مغناطش ضعیف می باشد در حالیکه مگمایت ماده ای فرومغناطیس (Ferromagnetic) با مغناطش قوی است بطوریکه وقتی در حضور آهنربا قرار می گیرد به راحتی و به سرعت جذب آن می شود. مگمایت بدلیل برخورداری از خواص مغناطیسی مطلوب، دارای کاربرد های زیادی در صنعت ذخیره سازی اطلاعات و همچنین پزشکی می باشد. خواص مغناطیسی مطلوب مگمایت باعث شده است تا این ماده پتانسیل بالایی در پزشکی باشد. نانومتری کردن ابعاد مگمایت خواص مغناطیسی آن را بیش از پیش بهبود می دهد.
همانطور که قبلا گفته شد مگمایت ماده ای فرومغناطیس می باشد و اگر ابعاد آن به اندازه کافی کوچک شوند (نانو متری) رفتار مغنطیسی مگمایت تغییر کرده و از فرومغناطیس به سوپرپارامغناطیس (Superparamagnetic) تغییر حالت می دهد که این ویژگی به شدت در صنعت پزشکی امروز حائز اهمیت است. سوپرپارامغناطیس به رفتاری مغناطیسی اتلاق می شود که ماده به محض وصل شدن میدان مغناطیسی خاصیت مغناطیسی پیدا کرده و با قطع شدن میدان بلافاصله خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهد. نانو ذرات مگمایت در پزشکی برای روش های درمان و تشخیص نظیر ترانوستیکس، گرمادرمانی و دارورسانی استفاده می شوند. می توانید
با مطالعه مقاله ای که قبلا در مورد کاربرد مواد مغناطیسی در پزشکی منتشر کردیم اطلاعات بیشتری بدست آورید. علاوه بر پزشکی، خواص مغناطیسی مطلوب نانو ذرات مگمایت راه را برای استفاده از این ماده در جدایش انتخابی عناصر و فلزات سنگین از پساب های صنعتی باز نموده است.
مگنتیت (Fe3O4)
مگنتیت پرکاربرد ترین اکسید آهن است، مشکی رنگ بوده و ساختار آن بصورت اسپینل معکوس می باشد. مگنتیت نیز مانند مگمایت ماده ای مغناطیسی می باشد با این تفاوت که مغناطش اشباع آن بالاتر و قوی تر از مگمایت است. علاوه بر این موضوع، از روی رنگ مگنتیت و مگمایت می توان این دو ترکیب را از یکدیگر تشخیص داد. از دیدگاه مغناطیس، مگنتیت در دمای اتاق ماده ای فری مغناطیس بوده و درصورتیکه اندازه ذره آن کمتر از 6 نانومتر گردد رفتار مغناطیسی آن تغییر کرده و تبدیل به ماده ای سوپر پارامغناطیس می شود. خاصیت مغناطیسی قوی تر مگنتیت نسبت به سایر اکسید آهن باعث شده است تا این ماده توجهات زیادی را به خود جلب کند. نانو ذرات مگنتیت به دلیل برخورداری از ویژگی های منحصر بفرد همچون مغناطش اشباع بالا (emu/g 92)، پایداری شیمیایی بالا و زیست سازگار بودن، در زمینه های گوناگون نظیر پزشکی، جداسازی مغناطیسی، دارو رسانی، سیالات مغناطیسی، باتری های لیتیومی و ابرخازن ها مورد استفاده قرار می گیرد. در ادامه به بررسی برخی از کاربرد های این ماده بطور مختصر پرداخته شده است.
جهت مطالعه بیشتر و آشنایی با خواص فیزیک و شیمیایی نانو ذرات مگنتیت کلیک کنید.
جداسازی مغناطیسی با استفاده از نانو ذرات مگنتیت سال های متمادی مورد استفاده بوده است. از این تکنیک در تصفیه خانه ها جهت جداسازی ذرات معلق و آلوده از آب استفاده می شود. در این تکنیک، نانو ذرات مگنتیت وارد آب شده و توده های مغناطیسی همراه با ذرات معلق در آب (باکتری ها، پلانکتون و ذرات جامد معلق در آب) تشکیل می دهند. در ادامه این توده ها رشد کرده، ته نشین شده و جدا می شوند. در نتیجه این امر، مواد آلوده موجود در آب حذف می شوند. لازم به ذکر است که نانو ذرات مگنتیت استفاده شده در این تکنیک با استفاده از میدان مغناطیسی قابل بازیابی و استفاده مجدد می باشند.
MRI یا تصویربرداری به کمک تشدید مغناطیسی که در تشخیص بیماری ها استفاده می شود یکی از مهمترین کاربرد های نانو ذرات مگنتیت می باشد. تصویربرداری به کمک تشدید مغناطیسی روشی نوین در تصویر برداری پزشکی است که بوسیله آن می توان تصاویر مقطعی از بدن انسان، بافت ها و ارگان های آن تهیه نمود. در این روش به منظور دریافت تصاویر بهتر جهت تشخیص غدد سرطانی، از عوامل کنتراست استفاده می شود. نانو ذرات مگنتیت از جمله مواد کنتراست تصویر هستند که در بدن بیمار تزریق شده و موجب تمایز غدد از سایر بافت ها در تصویر نهایی می گردند.
نانو ذرات مگنتیت کپسول شده می توانند برای رساندن دارو به نقاط مشخصی از بدن استفاده شوند. نانوذرات مگنتیت بعنوان بستر عمل کرده و دارو روی بستر قرار داده شده و حمل می گردد. خواص مغناطیسی مطلوب نانو ذرات مگنتیت به آنها این اجازه را می دهد که بصورت مغناطیسی هدایت گردند. بدین ترتیب نانوذرات حامل دارو، دی ان ای و آنزیم ها، به سمت بافت مورد نظر، هدایت شده و دارو اعمال می گردد.
شافت های گردان درون محفظه های خلاء، عموما در بخش رینگ اتصال دچار اصطکاک زیادی می شوند. به منظور حل این مشکل از سیالات مغناطیسی متشکل از نانو ذرات مگنتیت استفاده می گردد. استفاده از سیال مغناطیسی در رینگ های اتصال اصطکاک بین رینگ اتصال و شافت را بصورت قابل توجهی کاهش داده و عمر دستگاه را تقویت می نماید.
منابع:
- DOI: 10.5772/intechopen.101741
- https://doi.org/10.1021/acsami.7b18411
