磁性納米材料及其制備技術(shù)研究進(jìn)展評(píng)述

1、北京航空航天大學(xué) 先進(jìn)材料制備科學(xué)與技術(shù) 先進(jìn)材料制備科學(xué)與技術(shù) 題目 磁性納米材料及其制備技術(shù)研究進(jìn)展評(píng)述姓名 學(xué)號(hào) 日期 2015年1月1日摘要:納米材料是20世紀(jì)70年代后逐步產(chǎn)生并發(fā)展起來的一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型功能材料，具有超順磁性，高飽和磁化強(qiáng)度，各向異性，高分散性和生物相容性等性能，被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文綜述了磁性納米材料原理、制備方法，如機(jī)械球磨法、水熱法、微乳液法、超聲波法等，歸納了各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)磁性納米材料當(dāng)前的應(yīng)用熱點(diǎn)進(jìn)行了概述，并對(duì)其研究前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞:磁性納米材料； 制備； 應(yīng)用1前言1.1 磁性納米材料簡介及研究背景 納米材料的顆粒尺度大

2、致處在1 100 nm 之間， 處在原子簇和宏觀物體交界過渡區(qū)域。由于其極細(xì)的晶粒，大量處于晶界和晶粒內(nèi)缺陷的中心原子以及晶粒本身具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，使納米材料與相同組成的體相材料相比具有一系列新異的物理、化學(xué)特性，在宇航、電子、冶金、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展示了廣泛的應(yīng)用前景。人類很早就認(rèn)識(shí)到物質(zhì)的磁性，并利用物質(zhì)的磁性為人類造?！，F(xiàn)代文明更是離不開磁性材料， 從發(fā)電站、粒子加速器、火箭衛(wèi)星，到大大小小的家用電器，磁性無不在起重要作用。近年來，納米材料的磁性研究也得到了國內(nèi)外研究者的關(guān)注。納米磁性材料的磁單疇尺寸、超順磁磁性臨界尺寸、交換作用長度等在1

3、100nm范圍內(nèi)，具有奇異的超順磁性和較高的矯頑力。20nm的純鐵微粒的矯頑力是大塊鐵的1000倍;當(dāng)粒徑在50200nm之間時(shí)，矯頑力和飽和磁化強(qiáng)度均達(dá)到最大值，且具有單疇特性.近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，記錄的信息量也在不斷增加.以超微粒作記錄單元，可使記錄密度大大提高.磁性納米微粒尺寸小、單疇結(jié)構(gòu)矯頑力高，用它制作磁記錄材料，可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。1.2磁性納米材料的原理和特性 磁性納米材料的特性與其組成、顆粒尺寸以及形貌等密切相關(guān)，當(dāng)尺度為1-100 nm磁性納米材料往往會(huì)呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)磁性材料的新的磁行為。1.2.1單磁疇結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)宏觀磁性材料通常為多磁疇結(jié)構(gòu)，磁疇與磁

4、疇之間隔著疇壁，疇壁是靜磁能與疇壁能量相互平衡的產(chǎn)物，其磁化過程是材料內(nèi)部疇壁運(yùn)動(dòng)和磁疇變化的過程。當(dāng)組成磁性材料的顆粒直徑減小到一定臨界值時(shí)，體系產(chǎn)生疇壁所需的能量將高于形成一個(gè)單疇結(jié)構(gòu)所需要的能量，此時(shí)體系就會(huì)形成單疇結(jié)構(gòu)。AEMS=EDW時(shí)為磁疇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)，對(duì)于一個(gè)球狀的磁性納米顆粒，其臨界直徑DC可用下式計(jì)算： 式中，A為交換常數(shù)，K為各向異性常數(shù)，u0為真空磁導(dǎo)率，Ms為飽和磁化強(qiáng)度。1.2.2超順磁性磁性納米材料隨著顆粒尺寸的減小，其磁性狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。塊體狀態(tài)下為鐵磁性的材料，當(dāng)顆粒尺寸小到某一臨界值時(shí)可以轉(zhuǎn)變?yōu)槌槾艩顟B(tài)，即剩磁和矯頑力都為零。超順磁轉(zhuǎn)變主要是由于小尺寸效

5、應(yīng)造成的，當(dāng)顆粒尺寸較大時(shí)，磁化強(qiáng)度被形狀、晶體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力等因素限制在一個(gè)特定的方向;而當(dāng)尺寸較小時(shí)，各向異性能顯著降低，不再起主導(dǎo)作用，熱能作用將逐漸增強(qiáng)，當(dāng)各向異性能減小到與熱擾動(dòng)能相當(dāng)時(shí)，磁化矢量的方向就不再固定在一個(gè)易磁化方向上，而是在兩個(gè)易磁化軸之間跳躍，做隨機(jī)取向，結(jié)果使材料在宏觀上表現(xiàn)為超順磁性，但磁化率遠(yuǎn)高于一般順磁性物質(zhì)。1.2.3矯頑力納米顆粒在小于單磁疇臨界尺寸而大于超順磁臨界尺寸時(shí)通常呈現(xiàn)出較高的矯頑力磁性納米材料與常規(guī)的多晶或非晶磁性材料在磁疇結(jié)構(gòu)上存在很大的差異。常規(guī)磁性材料一般為多疇結(jié)構(gòu)，磁化機(jī)制主要為疇壁位移;而磁性納米材料，當(dāng)粒子尺寸小于某一臨界值時(shí)，每個(gè)粒子

6、都是一個(gè)單磁疇，不存在疇壁，可以看成是一個(gè)小的永磁體，磁化機(jī)制主要為磁化矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)。要使其發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)過程，必須使每個(gè)粒子的磁矩反轉(zhuǎn)(即一致轉(zhuǎn)動(dòng)模式)，這需要很大的反向磁場(chǎng)，從而使其具有較高的矯頑力。Herzer利用Alben等人針對(duì)非晶體系所提出的隨機(jī)各向異性模型分析了納米晶軟磁材料的磁晶各向異性能，并較好地解釋了此類磁性納米材料的矯頑力對(duì)其粒子尺寸的依賴關(guān)系。考慮到維度的影響，人們對(duì)此模型作了進(jìn)一步的修正，獲得了不同維度下納米磁性材料的粒子尺寸對(duì)其矯頑力的影響規(guī)律。1.2.4居里溫度 居里溫度是物質(zhì)磁性的重要參數(shù)，通常與交換積分Je成正比，并與原子間距和構(gòu)型有關(guān)。對(duì)于納米粒子體系而言，由于

7、小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)而導(dǎo)致納米粒子的本征和內(nèi)稟磁性的變化，會(huì)使之具有較低的居里溫度。1.2.5磁化強(qiáng)度 磁性納米材料的飽和磁化強(qiáng)度通常低于常規(guī)塊體材料的值，并且還顯示出隨顆粒尺寸的減小而下降的特點(diǎn)。如C.T. Jiang等人采用梓檬酸一凝膠法制備了磁性Ni0.5Zn0.5Fe2O4納米材料，發(fā)現(xiàn)其飽和磁化強(qiáng)度隨顆粒尺寸的增大而增大；很多磁性納米材料(如Fe、CoFe204、NiFe2O4、MnFe2O4等納米顆粒以及Fe、Co和Ni納米纖維等)的研究中均表現(xiàn)出相同的規(guī)律。此現(xiàn)象通常被認(rèn)為與表面磁結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)，是增多的表面上的自旋傾斜或釘扎、表面自旋玻璃態(tài)以及非磁性層(磁死層)的存在所引起的。

8、1.2.6磁化率 納米微粒的磁性與它所包含的總電子數(shù)的奇偶性密切相關(guān)。電子數(shù)的奇偶性不同，粒子磁性會(huì)具有不同的溫度特點(diǎn)。電子數(shù)為奇數(shù)的粒子系統(tǒng)，磁化率服從居里-外斯定律：X = C/(T-Tc)，量子尺寸效應(yīng)使磁化率遵從d3規(guī)律，其中d為粒子的直徑;電子數(shù)為偶數(shù)的系統(tǒng)，x=KBT并遵從d2規(guī)律，它們?cè)隗{磁場(chǎng)下為泡利順磁性。通常磁性納米金屬的；f值是常規(guī)金屬的20倍。1.2.7自旋波激發(fā) 自旋波又稱為磁激子，是固體中一種重要的元激發(fā)，由局域自旋之間存在交換作用而引起自旋波理論以體系整體激發(fā)為出發(fā)點(diǎn)，計(jì)入了自旋之間的長程關(guān)聯(lián)，很好地解釋了自發(fā)磁化在低溫下的行為。熱平衡態(tài)時(shí)，自旋波激發(fā)將導(dǎo)致鐵磁體系

9、的自發(fā)磁化強(qiáng)度隨溫度的升高而降低：M(T)=M01-BT3/2exp(-Eq/KBT) 當(dāng)能隙Eq等于零時(shí)，上式退化到bloch的T3/2變化規(guī)律。但對(duì)于磁性納米材料，由于量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)的影響，自旋波能譜將發(fā)生分立，在基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間存在不為零的能隙，并且其表面和內(nèi)部自旋處于不同的環(huán)境中，在自旋波激發(fā)過程中，能量的吸收情況也不同，結(jié)果導(dǎo)致在任何溫度范圍內(nèi)，自發(fā)磁化的嚴(yán)規(guī)律不再嚴(yán)格成立。考慮到小尺寸效應(yīng)，Hendriksen等人基于自旋波理論計(jì)算出納米磁性顆粒的自發(fā)磁化強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律為:M(T)=M01-BTa 式中，B與塊體材料的值有很大的不同，對(duì)于2nm的Fe粒子，B值約為

10、相應(yīng)塊體材料的10倍。 實(shí)驗(yàn)研究表明，除上述特點(diǎn)外，納米磁性材料還具有許多其它的反常電磁行為，如磁性相變、巨磁電阻效應(yīng)、交換偏置效應(yīng)等，這些特性和功能的出現(xiàn)，使磁性納米材料在諸多技術(shù)領(lǐng)域展示出廣闊的應(yīng)用前景。1.3磁性納米材料存在問題近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米醫(yī)學(xué)、納米藥學(xué)、納米環(huán)保學(xué)、納米電子學(xué)等分支學(xué)科也相繼建立和發(fā)展起來。其中，磁性納米材料因其新奇的物理化學(xué)性質(zhì)以及在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)用價(jià)值而成為研究的熱點(diǎn)。同時(shí)，這些學(xué)科在發(fā)展過程中不斷相互融合、相互滲透，實(shí)現(xiàn)了學(xué)科的交互促進(jìn)和進(jìn)步，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿土己玫陌l(fā)展勢(shì)頭。目前有關(guān)磁性納米粉體的應(yīng)用較多，

11、但是如何充分發(fā)揮磁性納米材料的磁性能、如何實(shí)現(xiàn)磁性納米材料與附和體相容性以及提高其利用效率等等，一直是研究的重要內(nèi)容。同時(shí)，納米一維材料，如碳納米管(CNTs)，因其強(qiáng)度高、吸收能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好及電磁學(xué)性能優(yōu)異等多種特性，廣泛應(yīng)用于生物傳感器、藥物載體、生物醫(yī)療設(shè)備等生物醫(yī)藥領(lǐng)域。但是，碳納米管產(chǎn)品產(chǎn)量低、產(chǎn)品功能均一性差，同時(shí)碳納米管進(jìn)行藥物和基因傳遞時(shí)需要對(duì)其表面進(jìn)行表面改性才能更好的得到應(yīng)用MSI。然而，碳納米管的表面改性因碳元素化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性不能提供活性反應(yīng)基團(tuán)受到限制，同時(shí)，碳納米管降解困難。另外，要實(shí)現(xiàn)碳納米管具有磁祀向性藥物輸送功能，還必須對(duì)其進(jìn)行磁性表面修飾。為此，需要研究

12、一種或一類一維或準(zhǔn)一維納米材料來彌補(bǔ)碳納米管在應(yīng)用上的不足。同時(shí)，納米材料在其他領(lǐng)域的研宄最近幾十年也得到了迅猛發(fā)展。但是其吸附動(dòng)力學(xué)和吸附熱力學(xué)研宄需要繼續(xù)深入研宄，以有利于磁性納米材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2磁性納米材料的制備20世紀(jì)70年代人們利用共沉淀法制備出了磁性液體材料，1988年巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，引起了世界各國的關(guān)注，掀起了納米磁性材料的開發(fā)和應(yīng)用研究熱潮。納米磁性材料大致可分為3大類:一是納米顆粒，二是納米微晶，三是納米結(jié)構(gòu)材料。2.1磁流體的制備磁性流體簡稱磁流體，指的是吸附有表面活性劑的磁性微粒在基液中高度彌散分布而形成的穩(wěn)定膠體體系。它由3部分組成:磁性粒子、基液(也叫載液)和表

13、面活性劑(穩(wěn)定劑)。其中鐵磁性顆粒一般選取Fe304、鐵、鈷、鎳等磁性好的超細(xì)顆粒。正是由于鐵磁性顆粒分散在載液中，因而磁流體呈現(xiàn)磁性。最常用的穩(wěn)定劑有油酸、丁二酸、氟醚酸，能夠防止磁性顆粒相互聚集，即使在重力、電、磁等力作用下磁流體亦能長期穩(wěn)定存在，不產(chǎn)生沉淀。載液種類很多，可以是水、煤油和汞等。磁流體的制備方法有物理法和化學(xué)法。物理法又可分為研磨法、熱分解法、超聲波法、機(jī)械合成法、等離子CVD法等；化學(xué)法又可分為氣相沉積法、水熱合成法、溶膠凝膠法、溶劑蒸發(fā)法、熱分解法、微乳液法及化學(xué)沉降法等。各種方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)不同的需求選擇不同的制備方法。2.1.1研磨法 研磨法一般是在表面活性劑存

14、在下，研磨幾周制得。此法耗能高，制備的微粒粒徑分布不均一。高能研磨法制備了鋅鐵氧體納米晶。其原理是將粉碎的磁性微粒Fe3O4和表面活性劑添加到載液中，在球磨機(jī)中經(jīng)過長時(shí)間(1000h左右)球磨，其中部分微粒穩(wěn)定地分散在載液中，再在高速離心機(jī)中處理幾十分鐘，除去直徑大于2.5×10-8m的粒子.該法工藝簡單，但材料利用率低，球磨罐及球的磨損嚴(yán)重，雜質(zhì)較多，成本昂貴，還不能得到高濃度的磁流體，因而實(shí)用差。2.1.2熱分解法在載液中加入表面活性劑和金屬羰基化合物(如Ni，Co，F(xiàn)e，F(xiàn)e-Co，Ni-Fe)進(jìn)行回流，羰基化合物便分解生成磁性超微金屬粒子，吸附表面活性劑后分散到載液里形成金屬

15、磁流體。該法產(chǎn)生的CO氣體會(huì)污染環(huán)境，不適宜規(guī)模生產(chǎn)。2.1.3超聲波法超聲波法合成磁流體在納米顆粒的合成中報(bào)道很多，利用超聲波法合成了鐵流體。在此體系中，加入了高分子物質(zhì)作穩(wěn)定劑，將易揮發(fā)的金屬有機(jī)物Fe(CO)5在純氧的條件下超聲處理，制得粒徑分布均一的磁流體。化學(xué)法化學(xué)沉淀法是最經(jīng)濟(jì)的制備納米磁流體的方法，化學(xué)沉淀法是用Fe2+和Fe3+鹽在堿性條件下混合攪拌得到超順磁性Fe3O4晶體沉淀的方法。其它的二價(jià)過渡金屬鹽如Mn2+，Ni2+，Zn2+，Cu2+也可代替Fe2+用于磁流體的制備。具體操作方法如下:準(zhǔn)確稱取一定量的FeCl2(或FeSO4)、FeC13溶于水中配制成一定濃度的溶液

16、，在強(qiáng)力攪拌下加入到7090的氫氧化鈉溶液中，通過調(diào)節(jié)溶液的pH值、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間來控制磁性微粒的粒徑。加入表面活性劑，80反應(yīng)2h，使表面活性劑化學(xué)吸附于磁性微粒表面。經(jīng)多次充分洗滌，除去物理吸附的表面活性劑和其它雜質(zhì)。低溫干燥后加入ZDW基液，再加入第二種表面活性劑，即制成穩(wěn)定的ZDW基磁性液體。在磁場(chǎng)、電場(chǎng)中長期放置或高速離心沒有觀測(cè)到分層或沉淀現(xiàn)象。2.2磁性微粒的制備磁性微粒的制備方法主要有包埋法和單體聚合法，另外還有沉淀法、化學(xué)轉(zhuǎn)化法等。包埋法包埋法是將磁流體分散在高分子溶液中，通過霧化、絮凝、沉積、蒸發(fā)、乳化等復(fù)合技術(shù)，制得磁性微粒。該法制備的磁性微粒、磁流體與高分子間通過范

17、德華力、氫鍵和螯合作用以及功能基間的共價(jià)鍵結(jié)合，得到的微粒粒徑分布寬、粒徑不易控制、殼層中難免混有雜質(zhì)。用葡聚糖包埋磁流體制備了葡聚糖磷性微球，另外用羥基纖維素對(duì)磁性微球進(jìn)行改進(jìn)，或采用乳化復(fù)合技術(shù)制備出粒徑為20300nm的具有磁核的瓊脂糖復(fù)合微球。單體聚合法單體聚合法是指在磁性微粒和單體存在下，加入引發(fā)劑、穩(wěn)定劑等聚合而成的核/殼式磁性微粒。單體聚合法得到的載體粒徑較大，固載量小，但作為固定化酶的載體，有利于保持酶的活性，而且磁性也較強(qiáng)。用化學(xué)沉降法制得磁流體后，用輻射引發(fā)丙烯酞胺和甲叉雙烯酞胺的聚合反應(yīng)，在磁流體表面包被一層有機(jī)聚合物，制得磁性微粒。制備的磁性微粒具有良好的理化性能，穩(wěn)定

18、性好，放置16個(gè)月未發(fā)生凝聚，理化性質(zhì)無明顯變化。2.3磁性納米微晶的制備方法目前，磁性納米微晶的制備方法可分為物理方法和化學(xué)方法兩類，從實(shí)用化角度來講，以非晶晶化法和機(jī)械合金化法為主，其發(fā)展趨勢(shì)是發(fā)展直接晶化納米晶制備技術(shù)。非晶晶化法是近年來發(fā)展極為迅速的一種制備磁性納米微晶的新工藝，它是通過控制非晶態(tài)固體的晶化動(dòng)力學(xué)過程，使晶化的產(chǎn)物為納米尺寸的晶粒。在著名的牌號(hào)為Finement的納米微晶軟磁材料問世后，F(xiàn)e-M-B、Fe-M-C、Fe-M-N等系列的納米微晶軟磁材料如雨后春筍破土而出。磁性納米微晶材料目前沿著高頻、多功能方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒈榧败洿挪牧蠎?yīng)用的各個(gè)方面，如功率變壓器、脈

19、沖變壓器、高頻變壓器等等。利用該方法也可制備出金屬間化合物和單質(zhì)半導(dǎo)體納米晶體，并已發(fā)展到實(shí)用階段。機(jī)械合金化法（MA）也是制備磁性納米材料的重要方法之一，該方法的優(yōu)點(diǎn)是能有效地控制合金成分，使一些用熔煉法不能形成合金的元素合金化，將合金的提煉和粉末生產(chǎn)集于一體，大大降低制備磁性納米材料的成本。目前，采用MA技術(shù)制備出Nd-Fe-Ti、Nd-Fe-Ti、Nd-Fe-B-Ti、SmFeTi等磁性納米微晶材料。2.4磁性納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法 由于磁性復(fù)合材料的種類繁多，其制備方法也不盡相同。目前比較常用的制備方法主要有溶膠凝膠法、磁控濺射法和激光脈沖沉積法等。近年來還發(fā)展了離子交換化學(xué)沉積、

20、仿生合成、模板合成法。溶膠凝膠法可得到晶形薄膜，該方法具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：形成溶膠的過程中，原料很容易達(dá)到分子級(jí)均勻，易于進(jìn)行微量元素的摻雜；能嚴(yán)格控制化學(xué)計(jì)量比、工藝簡單、在低溫下即可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)；所得產(chǎn)物粒徑小、分布均勻，很容易在不同形狀和材質(zhì)的基底上制備大面積薄膜；用料較省、成本較低。但同時(shí)也存在一些問題，例如反應(yīng)過程較長、干燥時(shí)凝膠容易開裂、顆粒燒結(jié)時(shí)團(tuán)聚傾向嚴(yán)重、工藝參數(shù)受環(huán)境因素影響較大等。修向前等用溶膠凝膠法制備了Fe薄膜，在室溫下有鐵磁性，矯頑力為240A/m，居里溫度高于室溫，有希望應(yīng)用于電子器件中。Adriana等用溶膠凝聚法制備得到了納米復(fù)合顆粒，其尺寸控制在100nm內(nèi)，磁性

21、性能優(yōu)異。Ziolo.R.F等采用離子交換化學(xué)沉積法在室溫下在磺酸型聚苯乙烯二乙烯苯陽離子交換樹脂表面合成了在可見光區(qū)有一定透明度的納米-Fe2O3磁性薄膜，其磁化強(qiáng)度比其他透明磁體高一個(gè)數(shù)量級(jí)。3.磁性納米材料的應(yīng)用磁性納米材料的應(yīng)用磁性納米材料是當(dāng)今世界材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，在高密度磁記錄、磁流體、磁傳感器和微波材料以及催化、環(huán)境治理等方面將得到廣泛的應(yīng)。3.1在通訊及計(jì)算機(jī)方面的應(yīng)用磁性納米材料由于其特殊的超順磁性，因而在巨磁電阻、磁性液體和磁記錄、軟磁、永磁、磁致冷、巨磁阻抗材料以及磁光器件、磁探測(cè)器等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。納米氧化鐵是新型磁記錄材料，在高磁記錄密度方面有優(yōu)異的工作

22、性能，記錄密度約為普通氧化鐵的10倍。利用鐵基納米材料的巨磁阻抗效應(yīng)制備的磁傳感器己經(jīng)問世，包覆了超順磁性納米微粒的磁性液體也被廣泛用在宇航和部分民用領(lǐng)域作為長壽命的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)密封。軟磁鐵氧體在無線電通訊、廣播電視、自動(dòng)控制宇宙航行、雷達(dá)導(dǎo)航、測(cè)量儀表、計(jì)算機(jī)、印刷、家用電器等方面均得到了廣泛應(yīng)用。稀土納米磁性材料尺寸小、具有單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力很高，用于制作磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。其體積小、可靠性高，用于微型電機(jī)系統(tǒng)，是新一代航空、航天和航海電機(jī)發(fā)展的重要方向，用于磁存儲(chǔ)器、磁流體、巨磁阻，性能可大大提高，使器件變的性能高、小型化。隨著納米結(jié)構(gòu)生長技術(shù)的發(fā)展，近年來，開發(fā)周期性磁

23、性納米線材料在磁性器件應(yīng)用研究中引起人們極大的興趣。由于磁性納米線材料具有平行線軸的一維性質(zhì)，故會(huì)顯示出一些特殊性能，如巨磁阻抗效應(yīng)、巨磁電阻(GMR)效應(yīng);當(dāng)外磁場(chǎng)沿著納米線軸向磁化時(shí)，它們會(huì)表現(xiàn)出高矯頑力、大剩磁比。這些磁性納米線潛在的用途是作超高密度垂直磁記錄介質(zhì)、GMR讀出磁頭、超高靈敏度微型磁傳感器等。此外，它們也是研究磁相互作用和磁化過程的理想體。3.2在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用運(yùn)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的納米材料被稱之為納米生物材料，其中具有生物相容性和一定生物醫(yī)學(xué)功能的磁性納米生物材料具有小尺寸效應(yīng)、良好的磁導(dǎo)向性、生物相容性、生物降解性和活性功能基團(tuán)等特點(diǎn)，由于磁性生物納米材料的生物活性、

24、親和性或反應(yīng)活性，可結(jié)合各種功能分子如酶、抗體、細(xì)胞、DNA或RNA等，因而在靶向藥物、酶的固定化、免疫測(cè)定、細(xì)胞的分離與分類等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用.醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明磁流體能逃逸網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞系統(tǒng)的吞噬，具有優(yōu)良的導(dǎo)向性，因此成為對(duì)生物體最有應(yīng)用前景的導(dǎo)向材料之一.此外，人們利用納米粒子使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便這一特點(diǎn)，將磁性納米粒子制成藥物載體，通過靜脈注射到動(dòng)物體內(nèi)，在外加磁場(chǎng)作用下通過納米微粒的磁性導(dǎo)航，使其移動(dòng)到病變部位達(dá)到定向治療的目的，該方法局部治療效果好而且副作用少.動(dòng)物臨床實(shí)驗(yàn)證明，帶有磁性的Fe203粒子是發(fā)展這種技術(shù)的最有前途的功能材料.納米晶軟磁材料、納米晶永磁材料、納米磁

25、流體、納米信息存儲(chǔ)材料、納米吸波磁性材料、納米巨磁致伸縮材料作為納米技術(shù)的重要領(lǐng)域，其前景十分誘人，必將對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防實(shí)力、學(xué)科發(fā)展以至社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生巨大的影響。3.3磁性納米材料在分離中的應(yīng)用磁性納米材料可以快速分離和吸附水中大部分的親水性分子和疏水性分子，也可以快速分離和吸附生物分子如蛋白質(zhì)、酶、核酸以及細(xì)胞。水處理中的離子吸附分離。目前，隨著工業(yè)與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水域重金屬污染已經(jīng)成為危害較為嚴(yán)重的水污染問題之一。重金屬因具有毒性大、在環(huán)境中不易被代謝、易被生物富集和生物放大效應(yīng)等特點(diǎn)，一旦未經(jīng)處理而排放到自然界中，將極大地破壞生態(tài)系統(tǒng)，不但污染水環(huán)境，也會(huì)嚴(yán)重威脅水生物的生存和人類的健

26、康。傳統(tǒng)的處理技術(shù)以物理化學(xué)方法為主，將重金屬進(jìn)行沉淀或?qū)⑵溥€原成低毒性的物質(zhì)，然而這些處理技術(shù)一般成本較高，而且易引起二次污染，不易被企業(yè)采納應(yīng)用，所以仍然無法滿足人類對(duì)環(huán)境質(zhì)量日益嚴(yán)格的要求。近些年來，磁分離法因其獨(dú)特的分離原理和諸多優(yōu)點(diǎn)使之成為最有發(fā)展前途的新型污水處理技術(shù)之一。對(duì)于造紙、化工、制藥、食品等工業(yè)廢水中的重金屬離子，通過磁分離技術(shù)分離效果明顯。而對(duì)于廢水中無磁性的有機(jī)物和無機(jī)物，需要預(yù)先加入“磁種”，使本身無磁性的有害物質(zhì)通過氫鍵、范德瓦爾斯力與經(jīng)表面官能團(tuán)修飾的磁種絮接，然后通過外加磁場(chǎng)對(duì)這些有害物質(zhì)有效分離。磁性納米材料作為一種新型的功能材料，與傳統(tǒng)的回收或修復(fù)技術(shù)相比

27、，由于其低成本運(yùn)行、無二次污染、還可以有選擇地吸附重金屬離子等優(yōu)點(diǎn)，因而是非常具有吸引力的一種選擇，從而為重金屬廢水的處理提供了更廣泛的空間。高磁響應(yīng)的Fe3O4-SiO2-Polypyrrole納米復(fù)合核殼顆粒，并成功應(yīng)用于水相體系中重金屬離子Cr2O7的吸附。通過測(cè)試分析，結(jié)果顯示，核殼復(fù)合吸附材料由400nm大小的Fe3O4多晶球簇內(nèi)核、100nm厚的非晶SiO2殼層以及外層聚吡咯材料組成，其飽和磁化強(qiáng)度為43.5A·m2/kg。通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀研究了其對(duì)重金屬離子的吸附性能，按照Langmuir等溫吸附模型計(jì)算的飽和吸附量為35.52mg/g。孫正濱等選取聚合物

28、包覆Fe3O4磁性納米粒子作為超導(dǎo)磁分離污水處理工藝中的磁種，擴(kuò)大超導(dǎo)磁分離技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。常溫條件下合成Fe3O4磁性納米粒子，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，磁性納米粒子直徑在610nm，表面被含有羧基的聚合物分子鏈包覆，且在常溫下磁性納米粒子顯示超順磁性。隨后以印染廠污水為對(duì)象，檢驗(yàn)磁性納米粒子對(duì)污水處理的能力。該研究主要比較污水處理前后的濁度和化學(xué)需氧量，結(jié)果顯示聚合物包裹Fe3O4磁性納米粒子可有效去除印染廠廢水中的污物。通過細(xì)乳液聚合制備了表面含酯基的磁性苯乙烯和乙酸乙烯酯共聚物納米顆粒，利用醇解反應(yīng)賦予顆粒表面豐富的羥基，進(jìn)一步在顆粒表面偶聯(lián)氨基硫脲，制備了螯合磁性聚合物納米顆粒。通

29、過測(cè)試分析，結(jié)果表明，納米顆粒粒徑比較均勻，在常溫下具有超順磁性。此外，磁性納米顆粒對(duì)重金屬離子的吸附具有選擇性，吸附容量順序?yàn)镠g2+>Zn2+>Pb2+>Cd2+，而且磁性納米顆粒對(duì)各種重金屬離子的等溫吸附符合Langmuir方程。用共沉淀法制得的Fe3O4溶液10mL與質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的殼聚糖溶液50mL混合，然后在堿性環(huán)境中沉淀得到磁性殼聚糖微球，并用-酮酸進(jìn)行修飾。產(chǎn)物不僅保持了超順磁性，且對(duì)Cu2+的吸附能力遵循Langmuir吸附模型。另一種方法是原位合成磁性殼聚糖微球，即先將Fe3+、Fe2+離子分散在呈酸性的殼聚糖溶液中，再將該混合液滴入堿液中沉淀，最后交聯(lián)劑固

30、定。Uzun等8通過懸浮聚合的方法制備了以Fe3O4為核、用二甲基丙烯酸乙二醇酯和1-乙烯基-1，2，4-三唑聚合物(poly(EGDMAVTAZ)包覆的磁性納米復(fù)合粒子。并且，作者成功地將該磁性納米粒子用于水相體系中重金屬粒子的吸附分離。實(shí)驗(yàn)表明，該磁性納米粒子對(duì)于1mol的水相體系重金屬離子Hg2+，Pb2+，Cu2+，Cd2+，Zn2+的吸附量分別為178.1，132.4，83.5，54.1，32.4mg/g。對(duì)于不同離子的吸附強(qiáng)弱順序?yàn)镠g2+>Pb2+>Cu2+>Cd2+>Zn2+，并且，磁性納米粒子對(duì)于離子的吸附量隨水流速度增大而減小。該磁性納米復(fù)合粒子通過

31、硝酸處理，還可以再生循環(huán)利用，再生率達(dá)到了97%。3.4磁性納米材料在癌癥診療中的應(yīng)用磁共振影像增強(qiáng)腫瘤診斷包括體外腫瘤細(xì)胞的檢測(cè)和體內(nèi)腫瘤影像學(xué)診斷，MRI能夠?qū)ι飪?nèi)臟器官進(jìn)行快速無損檢測(cè)，已成為目前腫瘤早期診斷最有效的方法之一。為增強(qiáng)病變組織與正常組織圖像之間的對(duì)比度，運(yùn)用超順磁性納米粒子可提高M(jìn)RI的靈敏度和特異性。對(duì)前列腺癌的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的研究表明，超順磁性納米粒子非侵入性檢測(cè)不僅可以檢測(cè)出前列腺癌病人體內(nèi)微小的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，還能檢測(cè)出隱藏的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。納米免疫磁分離納米免疫磁分離是利用功能化磁性納米粒子的表面配體(或受體)與受體(或配體)之間的特異性作用，在外加磁場(chǎng)下將磁性納米微粒表面發(fā)生識(shí)別作用的物質(zhì)從混合物中分離出來的一種技術(shù)。該技術(shù)可以輔助腫瘤的放射療法，達(dá)到更好的治療效果。放射線