1-1-مقدمه
برای نانوذرات تعاریف متعددی ارائه شده است اما به طورخاص نانوذرات دارای قطری بین 1 تا 250 نانومترمی‌باشند، به عبارتی آنها درحوزهای ما بین اثرات کوانتومی اتمها، مولکولها و خواص مواد توده‌ای قرار می‌گیرند. موادمختلف دراین مقیاس از خود خواص متفاوت و جالبی را بروز می‌دهند. توانایی ساخت وکنترل ساختار نانوذرات به دانشمندان و مهندسین امکان می‌دهد خواص حاصله را تغییر داده و بتوانند خواص مطلوب را در مواد طراحی کنند. موارد فوق العاده گسترده‌ای وجود دارند که اندازه فیزیکی ذره میتواند خواص بهبود یافته‌ای را به وجود آورد. مثلاً اندازه کوچک ذرات امکان صیقل دهی ظریفتر سطوح را فراهم می‌کند. نانوذرات مغناطیسی به دلیل داشتن یک سری ویژگی های خاص مانند: (1) سهولت سنتز، (2) مساحت سطح به حجم زیاد به دلیل داشتن ابعاد نانومتری، (3) خاصیت سوپرپارامغناطیسی که باعث میشود این ذرات به میدان مغناطیسی خارجی پاسخ دهند و در غیاب میدان خارجی خاصیت مغناطیسی خود را از دست بدهند، (4) عدم نیاز به مراحل فیلتراسیون و سانتریفیوژ کردن در طی فرآیند استخراج، (5) توانایی استخراج از حجم زیاد نمونهها می‌توانند در استخراج و حذف گونه های مختلف آلی و معدنی به ویژه آلایندههای محیطی و جداسازی داروها از نمونههای بیولوژیکی به کار گرفته شوند ] 2,1[. نانوذرات به قدری کوچک هستند که میتوان گفت بی‌نظمی چندانی در آنها وجود نداشته و لذا فلزات پرقدرت و بسیار سخت را میتوان از آنها تولید کرد. مساحت سطح بالای آنها نیز سبب تولید کاتالیزور کاراتر و مواد پر انرژی می‌گردد
1-2- ماهیت مغناطیسی نانوذرات
در مواد مغناطیسى، مولکولها و اتم‌های سازنده‌ى آن خاصیت مغناطیسی دارند. به بیان ساده‌تر عناصرى مانند آهن، کبالت، نیکل و آلیاژهای آنها که توسط آهنربا جذب می‌گردد، مواد مغناطیسی نامیده میشود. طبقه بندى مواد مغناطیسی براساس پذیرفتارى مغناطیسى(X) (قابلیت مغناطیسی شدن ماده) انجام میشود براین اساس مواد را به سه گروه فرومغناطیس، پارامغناطیس و دیامغناطیس دسته بندی می‌کنند]1[. در مواد دیامغناطیس برایند گشتاور دوقطبی مغناطیسی صفر است و درحضور میدان مغناطیسى، گشتاور دوقطبی در آنها القا میشود، اما جهت این دوقطبی هاى القا شده برخلاف جهت میدان مغناطیسی خارجی است که باعث میشود ماده‌ی دیامغناطیس از میدان مغناطیسی دفع شود. با حذف میدان مغناطیسی خارجى، خاصیت مغناطیسی این مواد باقی نمی‌ماند. پذیرفتارى مغناطیسی در این مواد خیلی کم می‌باشد. تمام گازها (جز اکسیژن)، آب، نقره، طلا، مس، الماس، گرافیت، بیسموت و بسیاری ازترکیبهای آلى دیامغناطیس هستند. در ماده‌ی پارامغناطیس، دوقطبی‌هاى مغناطیسی داراى سمت‌گیرى مشخص و منظمی نیستند، در نتیجه این مواد خاصیت مغناطیسی ندارند. اگر آنها درون یک میدان مغناطیسی قرار داده شوند، در راستای خط‌هاى میدان مغناطیسی منظم می‌شوند. با حذف میدان مغناطیسى، دوقطبی‌هاى مغناطیسی دوباره به سرعت به وضعیت قبلی که درغیاب میدان داشتند، برمی‌گردند. به این ترتیب، مواد پارامغناطیس درمیدان‌هاى مغناطیسی قوی خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کنند. پذیرفتارى مغناطیسی این مواد مقدارى مثبت می باشد. منگنز، پلاتین، آلومینیم، فلزهاى قلیایى و قلیایی خاکى، اکسیژن و نیترون‌اکسید پارامغناطیس هستند. مواد فرومغناطیس مانند مواد پارامغناطیس است، با این تفاوت که مجموعه‌اى ازدوقطبی‌هاى مغناطیسی در یک جهت و راستا قرار دارند که خود این مجموعه‌ها در راستا و جهت‌هاى متفاوتی قرارمی‌گیرند، به طورى که اثر میدان یکدیگر را خنثى می‌کنند. به این مجموعه از دوقطبی‌هاى مغناطیسی که در یک راستا قرار دارند، حوزه‌ى مغناطیسی می‌گویند. خاصیت مغناطیسی این مواد به سرعت تغییر مسیر این حوزه‌ها و قرار گرفتن در جهت میدان بستگی دارد]3 [. خاصیت مغناطیسی به مقدار بسیار زیادی به اندازهی ذره وابسته است. هر ماده‌ی مغناطیس درحالت توده، ازحوزه‌های مغناطیسی تشکیل شده‌است. هرحوزه داراى هزاران اتم است که در آن جهت چرخش الکترونها یکسان وگشتاورهای مغناطیسی به صورت موازی جهت یافته اند. اماجهت چرخش الکترون‌های هرحوزه با حوزه‌های دیگر متفاوت است. هرگاه، یک میدان مغناطیسی بزرگ، تمام حوزه‌های مغناطیسی را هم جهت کند، تغییر فاز مغناطیسی رخداده و مغناطیسی شدن به حداشباع میرسد. هرذره‌ای که تنها شامل یک حوزه باشد، میتواند نانوذره به شماررود. نانوذرات مغناطیسی دارای تعداد حوزه‌های کمی هستند و مغناطیسی شدن آنها ساده‌تر است. در مواد فرومغناطیس وقتی اندازهی ذره از یک حوزه‌ی مغناطیسیِ منفرد کوچکتر گردد، پدیده‌ی ابرپارامغناطیس)متصل نشدن ذرات مغناطیسی در ابعاد نانو در شرایط عادى و حساسیت بالاى آنها به میدان مغناطیسى(، به وقوع می‌پیوندد. چون نانوذرات نیاز به نیروی زیادی برای مغناطیسی شدن ندارند، خیلی ازحالت طبیعی فاصله نمی‌گیرند و پس از مغناطیسی شدن تمایل چندانی برای ازدست دادن خاصیت مغناطیسی وباز گشت به وضعیت اولیه را ندارند]3[.
1-3- از جمله کاربردهای نانوذرات میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
– ذخیره اطلاعات: نانوذرات مغناطیسی با اندازه 2 تا 20 نانومتر می‌توانند به عنوان ابزاری برای ذخیره اطلاعات در کارت‌های مغناطیسی استفاده شوند.
– نانوکامپوزیت‌های مغناطیسی: با توزیع و اندازه دانه‌ی مناسب نانوذرات مغناطیسی در بستر مواد پلیمرﻲ میتوان نانوکامپوزیت‌هایی با خاصیت مغناطیسی به دست آورد. که کاربرد زیادی را در سنسورها، پوشش‌های الکترومغناطیس و مواد جاذب امواج، دارا میباشند ]4[.
– فروسیال‌ها(محلول‌های مغناطیسی): فروسیال‌ها، محلول‌هایی هستند که در آن نانوذرات مغناطیسی (مانند: آهن و کبالت)، به صورت کلوئید در مایعی معلق میباشند و به آن خاصیت مغناطیسی می‌‌بخشند. هر چه اندازهی نانوذرات مغناطیسی کوچکتر باشد، محلول خاصیت مغناطیسی بیشتری از خود نشان می‌دهد. از جمله کاربردهای فروسیال‌ها میتوان به کاربرد آن به عنوان خنک کننده نام برد. هم‌چنین از این محلول‌ها برای به حرکت در‌آوردن سیال‌ها در تراشه‌ها به وسیله‌ی نیروی مغناطیسی استفاده میشود.
-کاربرد نانوذرات مغناطیسی درتشخیص ودرمان بیماریها
الف) گرما درمانی مغناطیسى
ب) تصویر برداری تشدید مغناطیسى
گرما درمانی یکی از روشهای درمان سرطان است که برای آسیب رساندن به سلولهاى سرطانی و نابودى آنها، بافت بدن را درمعرض گرماى43 درجه‌ی سانتی‌گراد قرار می‌دهند نانوذرات می‌توانند دراثرمیدانهاى مغناطیسی متناوب گرما تولیدکنند. میزان گرماى تولید شده بستگی به نوع ذره،خواص مغناطیسی آن و عوامل موثر بر روى میدان مغناطیسی دارد ]5[.
تصویر برداری تشدید مغناطیسی (MRI)یک ابزارتشخیصی غیرتهاجمی است که با استفاده از یک میدان مغناطیسی قوى خارجى، تصاویری دقیق و همراه با جزییات را از ساختارهاى داخل بدن ایجاد می‌کند. با استفاده از نانوذرات مغناطیسی به خصوص آهن اکسید، شناسایی بافتهای آسیب دیده با حساسیت بسیار بالا و با مقدارکم مواد تزریقی انجام میشود. این تصویر بردارى براساس تحریک پروتونهای هسته‌ی(هیدروژن ) مولکول آب انجام میشود ]6[.
ج) نانوذرات مغناطیسی به عنوان ابزارتشخیصی
یکی از روشهای تشخیص نانومولکولی، استفاده از نانوذراتی مانند نانوذرات طلا، نانوذرات مغناطیسی و نقاط کوانتمی است، آنها با اتصال به پادتنی مناسب برای شناسایی مولکولها و ساختارهای خاص مورد استفاده قرارمی‌گیرد]6[.
د) دارورسانی هدفمند و ژن درمانى
یکی از اهداف فناوری نانو سوارکردن داروها بر روی مواد حامل (نانوذره) وسپس فرستادن و رهاکردن آنها به درون سلول هدف است که به آن دارورسانی هدفمند اطلاق میشود. نانوذرات مغناطیسی براى انتقال دارو درکاربردهای عملی بسیار مورد توجه هستند]6 [.
1-4- نانو ذرات مغناطیسی اکسید آهن
برای نانوذرات تعاریف متعددی ارائه شده است اما به طورخاص نانوذرات دارای قطری بین 1 تا 250 نانومترمی‌باشند، به عبارتی آنها درحوزهای ما بین اثرات کوانتومی اتمها، مولکولها و خواص مواد توده‌ای قرار می‌گیرند. موادمختلف دراین مقیاس از خود خواص متفاوت و جالبی را بروز می‌دهند. توانایی ساخت وکنترل ساختار نانوذرات به دانشمندان و مهندسین امکان می‌دهد خواص حاصله را تغییر داده و بتوانند خواص مطلوب را در مواد طراحی کنند. موارد فوق العاده گسترده‌ای وجود دارند که اندازه فیزیکی ذره میتواند خواص بهبود یافته‌ای را به وجود آورد. مثلاً اندازه کوچک ذرات امکان صیقل دهی ظریفتر سطوح را فراهم می‌کند. نانوذرات مغناطیسی به دلیل داشتن یک سری ویژگی های خاص مانند: (1) سهولت سنتز، (2) مساحت سطح به حجم زیاد به دلیل داشتن ابعاد نانومتری، (3) خاصیت سوپرپارامغناطیسی که باعث میشود این ذرات به میدان مغناطیسی خارجی پاسخ دهند و در غیاب میدان خارجی خاصیت مغناطیسی خود را از دست بدهند، (4) عدم نیاز به مراحل فیلتراسیون و سانتریفیوژ کردن در طی فرآیند استخراج، (5) توانایی استخراج از حجم زیاد نمونهها می‌توانند در استخراج و حذف گونه های مختلف آلی و معدنی به ویژه آلایندههای محیطی و جداسازی داروها از نمونههای بیولوژیکی به کار گرفته شوند ] 2,1[. نانوذرات به قدری کوچک هستند که میتوان گفت بی‌نظمی چندانی در آنها وجود نداشته و لذا فلزات پرقدرت و بسیار سخت را میتوان از آنها تولید کرد. مساحت سطح بالای آنها نیز سبب تولید کاتالیزور کاراتر و مواد پر انرژی می‌گردد
1-2- ماهیت مغناطیسی نانوذرات
در مواد مغناطیسى، مولکولها و اتم‌های سازنده‌ى آن خاصیت مغناطیسی دارند. به بیان ساده‌تر عناصرى مانند آهن، کبالت، نیکل و آلیاژهای آنها که توسط آهنربا جذب می‌گردد، مواد مغناطیسی نامیده میشود. طبقه بندى مواد مغناطیسی براساس پذیرفتارى مغناطیسى(X) (قابلیت مغناطیسی شدن ماده) انجام میشود براین اساس مواد را به سه گروه فرومغناطیس، پارامغناطیس و دیامغناطیس دسته بندی می‌کنند]1[. در مواد دیامغناطیس برایند گشتاور دوقطبی مغناطیسی صفر است و درحضور میدان مغناطیسى، گشتاور دوقطبی در آنها القا میشود، اما جهت این دوقطبی هاى القا شده برخلاف جهت میدان مغناطیسی خارجی است که باعث میشود ماده‌ی دیامغناطیس از میدان مغناطیسی دفع شود. با حذف میدان مغناطیسی خارجى، خاصیت مغناطیسی این مواد باقی نمی‌ماند. پذیرفتارى مغناطیسی در این مواد خیلی کم می‌باشد. تمام گازها (جز اکسیژن)، آب، نقره، طلا، مس، الماس، گرافیت، بیسموت و بسیاری ازترکیبهای آلى دیامغناطیس هستند. در ماده‌ی پارامغناطیس، دوقطبی‌هاى مغناطیسی داراى سمت‌گیرى مشخص و منظمی نیستند، در نتیجه این مواد خاصیت مغناطیسی ندارند. اگر آنها درون یک میدان مغناطیسی قرار داده شوند، در راستای خط‌هاى میدان مغناطیسی منظم می‌شوند. با حذف میدان مغناطیسى، دوقطبی‌هاى مغناطیسی دوباره به سرعت به وضعیت قبلی که درغیاب میدان داشتند، برمی‌گردند. به این ترتیب، مواد پارامغناطیس درمیدان‌هاى مغناطیسی قوی خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کنند. پذیرفتارى مغناطیسی این مواد مقدارى مثبت می باشد. منگنز، پلاتین، آلومینیم، فلزهاى قلیایى و قلیایی خاکى، اکسیژن و نیترون‌اکسید پارامغناطیس هستند. مواد فرومغناطیس مانند مواد پارامغناطیس است، با این تفاوت که مجموعه‌اى ازدوقطبی‌هاى مغناطیسی در یک جهت و راستا قرار دارند که خود این مجموعه‌ها در راستا و جهت‌هاى متفاوتی قرارمی‌گیرند، به طورى که اثر میدان یکدیگر را خنثى می‌کنند. به این مجموعه از دوقطبی‌هاى مغناطیسی که در یک راستا قرار دارند، حوزه‌ى مغناطیسی می‌گویند. خاصیت مغناطیسی این مواد به سرعت تغییر مسیر این حوزه‌ها و قرار گرفتن در جهت میدان بستگی دارد]3 [. خاصیت مغناطیسی به مقدار بسیار زیادی به اندازهی ذره وابسته است. هر ماده‌ی مغناطیس درحالت توده، ازحوزه‌های مغناطیسی تشکیل شده‌است. هرحوزه داراى هزاران اتم است که در آن جهت چرخش الکترونها یکسان وگشتاورهای مغناطیسی به صورت موازی جهت یافته اند. اماجهت چرخش الکترون‌های هرحوزه با حوزه‌های دیگر متفاوت است. هرگاه، یک میدان مغناطیسی بزرگ، تمام حوزه‌های مغناطیسی را هم جهت کند، تغییر فاز مغناطیسی رخداده و مغناطیسی شدن به حداشباع میرسد. هرذره‌ای که تنها شامل یک حوزه باشد، میتواند نانوذره به شماررود. نانوذرات مغناطیسی دارای تعداد حوزه‌های کمی هستند و مغناطیسی شدن آنها ساده‌تر است. در مواد فرومغناطیس وقتی اندازهی ذره از یک حوزه‌ی مغناطیسیِ منفرد کوچکتر گردد، پدیده‌ی ابرپارامغناطیس)متصل نشدن ذرات مغناطیسی در ابعاد نانو در شرایط عادى و حساسیت بالاى آنها به میدان مغناطیسى(، به وقوع می‌پیوندد. چون نانوذرات نیاز به نیروی زیادی برای مغناطیسی شدن ندارند، خیلی ازحالت طبیعی فاصله نمی‌گیرند و پس از مغناطیسی شدن تمایل چندانی برای ازدست دادن خاصیت مغناطیسی وباز گشت به وضعیت اولیه را ندارند]3[.
1-3- از جمله کاربردهای نانوذرات میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
– ذخیره اطلاعات: نانوذرات مغناطیسی با اندازه 2 تا 20 نانومتر می‌توانند به عنوان ابزاری برای ذخیره اطلاعات در کارت‌های مغناطیسی استفاده شوند.
– نانوکامپوزیت‌های مغناطیسی: با توزیع و اندازه دانه‌ی مناسب نانوذرات مغناطیسی در بستر مواد پلیمرﻲ میتوان نانوکامپوزیت‌هایی با خاصیت مغناطیسی به دست آورد. که کاربرد زیادی را در سنسورها، پوشش‌های الکترومغناطیس و مواد جاذب امواج، دارا میباشند ]4[.
– فروسیال‌ها(محلول‌های مغناطیسی): فروسیال‌ها، محلول‌هایی هستند که در آن نانوذرات مغناطیسی (مانند: آهن و کبالت)، به صورت کلوئید در مایعی معلق میباشند و به آن خاصیت مغناطیسی می‌‌بخشند. هر چه اندازهی نانوذرات مغناطیسی کوچکتر باشد، محلول خاصیت مغناطیسی بیشتری از خود نشان می‌دهد. از جمله کاربردهای فروسیال‌ها میتوان به کاربرد آن به عنوان خنک کننده نام برد. هم‌چنین از این محلول‌ها برای به حرکت در‌آوردن سیال‌ها در تراشه‌ها به وسیله‌ی نیروی مغناطیسی استفاده میشود.
-کاربرد نانوذرات مغناطیسی درتشخیص ودرمان بیماریها
الف) گرما درمانی مغناطیسى
ب) تصویر برداری تشدید مغناطیسى
گرما درمانی یکی از روشهای درمان سرطان است که برای آسیب رساندن به سلولهاى سرطانی و نابودى آنها، بافت بدن را درمعرض گرماى43 درجه‌ی سانتی‌گراد قرار می‌دهند نانوذرات می‌توانند دراثرمیدانهاى مغناطیسی متناوب گرما تولیدکنند. میزان گرماى تولید شده بستگی به نوع ذره،خواص مغناطیسی آن و عوامل موثر بر روى میدان مغناطیسی دارد ]5[.
تصویر برداری تشدید مغناطیسی (MRI)یک ابزارتشخیصی غیرتهاجمی است که با استفاده از یک میدان مغناطیسی قوى خارجى، تصاویری دقیق و همراه با جزییات را از ساختارهاى داخل بدن ایجاد می‌کند. با استفاده از نانوذرات مغناطیسی به خصوص آهن اکسید، شناسایی بافتهای آسیب دیده با حساسیت بسیار بالا و با مقدارکم مواد تزریقی انجام میشود. این تصویر بردارى براساس تحریک پروتونهای هسته‌ی(هیدروژن ) مولکول آب انجام میشود ]6[.
ج) نانوذرات مغناطیسی به عنوان ابزارتشخیصی
یکی از روشهای تشخیص نانومولکولی، استفاده از نانوذراتی مانند نانوذرات طلا، نانوذرات مغناطیسی و نقاط کوانتمی است، آنها با اتصال به پادتنی مناسب برای شناسایی مولکولها و ساختارهای خاص مورد استفاده قرارمی‌گیرد]6[.
د) دارورسانی هدفمند و ژن درمانى
یکی از اهداف فناوری نانو سوارکردن داروها بر روی مواد حامل (نانوذره) وسپس فرستادن و رهاکردن آنها به درون سلول هدف است که به آن دارورسانی هدفمند اطلاق میشود. نانوذرات مغناطیسی براى انتقال دارو درکاربردهای عملی بسیار مورد توجه هستند]6 [.
1-4- نانو ذرات مغناطیسی اکسید آهن