磁性納米材料的研究進(jìn)展

磁性納米材料的研究進(jìn)展Progress of magnetic nanoparticles李恒謙 賈雪珂 李艷 周康佳（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 宣城）（Hefei University of Technology, Xuancheng, Anhui, China)摘要：納米技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)覆蓋面極廣、多學(xué)科交叉的科學(xué)領(lǐng)域。而磁性納米材料因其優(yōu)異的磁學(xué)性能，也逐漸發(fā)揮出越來(lái)越大的作用。隨著科學(xué)工作者在制備、應(yīng)用領(lǐng)域的拓展逐漸深入，也使得納米材料的外形、尺寸的控制日趨完善。因此，磁性納米材料在機(jī)械、電子、化學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。文章綜述磁性納米材料的制備方法、性能及其近年來(lái)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用狀況。關(guān)鍵詞：磁性；納米；制備；性能；應(yīng)用Abstract: Nanotechnology is developed in recent years as a kind of science with wide coverage and multidisciplinary. Magnetic nanoparticles also play an increasing role due to its excellent magnetic propertiesAs scientists research take them deeper along the aspects of synthesis and applicationthe control of shape and dimensions of magnetic nanoparticles has become more matureTherefore, magnetic nanoparticles have wide application propects in machinery, electronics, chemistry, biology, etc. In this paper，the synthesis method is discussed, the character is mentioned and the application of magnetic nanoparticles is summarizedKeywords：magnetic；nanoparticles；synthesis；character; application1.引言磁性納米材料的特性不同于常規(guī)的磁性材料，其原因是關(guān)聯(lián)于與磁相關(guān)的特征物理長(zhǎng)度恰好處于納米量級(jí)，例如：磁單疇尺寸，超順磁性臨界尺寸，交換作用長(zhǎng)度，以及電子平均自由路程等大致處于1-100nm量級(jí)，當(dāng)磁性體的尺寸與這些特征物理長(zhǎng)度相當(dāng)時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)反常的磁學(xué)性質(zhì)。納米表征技術(shù)是高新材料基礎(chǔ)理論研究與實(shí)際應(yīng)用交叉融合的技術(shù)。對(duì)我國(guó)高新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的推動(dòng)作用，其在全國(guó)更廣泛的推廣應(yīng)用，能加速我國(guó)高新材料研究的進(jìn)程，為我國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。在納米表征技術(shù)下，磁性納米材料的應(yīng)用日顯勃勃生機(jī)。例如磁性材料與信息化、自動(dòng)化、機(jī)電一體化、國(guó)防，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的方方面面緊密相關(guān)，磁記錄材料至今仍是信息工業(yè)的主體。磁性納米材料的應(yīng)用可謂涉及到各個(gè)領(lǐng)域。在機(jī)械，電子，光學(xué)，磁學(xué) ，化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米科學(xué)技術(shù)的誕生將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。并有可能從根本上解決人類面臨的許多問(wèn)題。特別是能源，人類健康和環(huán)境保護(hù)等重大問(wèn)題。下一世紀(jì)初的主要任務(wù)是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學(xué)特性設(shè)計(jì)出順應(yīng)世紀(jì)的各種新型的材料和器件，通過(guò)納米材料科學(xué)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品。已出現(xiàn)可喜的苗頭，具備了形成下一世紀(jì)經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)的基礎(chǔ)。磁性納米材料將成為納米材料科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)大放異彩的明星，在新材料，能源，信息，生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮舉足輕重的作用。2.制備在人們所熟知的大量磁性材料中，由于不能同時(shí)滿足高飽和磁化強(qiáng)度和穩(wěn)定性高的要求，飽和磁化強(qiáng)度高但穩(wěn)定性低的材料應(yīng)用在一定程度上受到了限制。目前可選作磁性微粒的僅有少數(shù)幾種，主要為金屬氧化物，如三氧化二鐵（Fe2O3）、MFe2O4(M為Co，Mn，Ni)、四氧化三鐵（Fe3O4），二元和三元合金，如金屬鐵、鈷、鎳及其鐵鈷合金、鎳鐵合金，以及釹鐵硼(NdFeB)、鑭鈷合金（LaCo）合金等，它們的穩(wěn)定性(即抗氧化能力)依次遞減，但飽和磁化強(qiáng)度卻按上述次序遞增。納米科技的發(fā)展，使這些磁性材料的應(yīng)用成為可能，目前，磁性材料納米化已成為材料科學(xué)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。磁性納米粒子在各個(gè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，引起了廣大研究者對(duì)其制備方法的研究1。其制備方法可分為生物法、物理法和化學(xué)法。生物法 磁性納米粒子廣泛地存在于各種生物體如趨磁細(xì)菌、螞蟻、蜜蜂、鴿子和鮭魚(yú)體內(nèi)。通過(guò)適當(dāng)?shù)姆蛛x方法可獲得化學(xué)純度高、粒度均一、外形各異的磁性納米粒子。但該方法的缺點(diǎn)是粒子提取過(guò)程較為復(fù)雜，且所得粒子的粒徑可控范圍可比較受限制2。物理法研磨法一般是在表面活性劑存在下，研磨幾周制得。姜繼森等將粉碎的磁性微粒Fe3O4和表面活性劑添加到載液中，在球磨機(jī)中經(jīng)過(guò)1000h左右球磨，再在高速離心機(jī)中處理幾十分鐘才得到。該法工藝簡(jiǎn)單，但周期長(zhǎng)、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)用性差。超聲波法可以制得粒徑分布均勻的磁流體。蒸發(fā)冷凝法是在旋轉(zhuǎn)的真空滾筒的底部放入含有表面活性劑的基液，隨著滾筒的旋轉(zhuǎn)，在其內(nèi)表面上形成液體膜。金屬顆粒在表面活性劑的作用下分散于基液中，制得穩(wěn)定的金屬磁性液體。該方法制備的金屬磁性液體材料具有磁性粒子粒度分布均勻、分散性好的特點(diǎn)，但所需設(shè)備復(fù)雜且需要抽真空3。化學(xué)法 在過(guò)去幾十年里，許多研究者致力于通過(guò)化學(xué)法合成磁性納米粒子，并取得了許多令人矚目的成就。特別是近幾年，許多文獻(xiàn)報(bào)道了通過(guò)精巧的化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)獲得尺寸可控、高穩(wěn)定性和單分散的磁性納米粒子?；瘜W(xué)法包括沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱和高溫分解法、微乳液法以及其他化學(xué)方法。（1）. 沉淀法沉淀法包括共沉淀法、均勻沉淀法和直接沉淀法，共沉淀法適合制備氧化物，是在混合的金屬鹽溶液中添加沉淀劑，即得到組分均勻的溶液，再進(jìn)行熱分解，特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但產(chǎn)物純度低、粒徑大；直接沉淀法是使溶液中的金屬陽(yáng)離子直接與沉淀劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成沉淀物；均勻沉淀法是在金屬鹽溶液中加入沉淀劑溶液時(shí)不斷攪拌，使沉淀劑在溶液中緩慢生成，消除了沉淀劑的不均勻性。下面介紹共沉淀法。由于共沉淀法具有實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)條件溫和等特性，現(xiàn)已成為制備磁性納米粒子的經(jīng)典方法之一。其原理是在室溫或加熱條件下，向惰性氣體保護(hù)的Fe2+Fe3+鹽溶液中加入堿，獲得磁性氧化鐵(Fe304或-Fe203)納米粒子，主要反應(yīng)如下：Fe2+2Fe3+80H-Fe304+4H20 (11)Fe304+2H+-Fe203+Fe2+H20 (12)共沉淀法制備Fe304納米粒子主要有兩種方式：(1)以Fe(II)鹽為水解反應(yīng)原料，采用各種氧化劑在鐵鹽水解的同時(shí)，將其部分氧化成Fe(III)，得到磁性Fe304納米粒子；(2)在堿性條件下共沉淀一定比例的Fe(II)和Fe(III)鹽混合物。在共沉淀過(guò)程中，主要包括兩個(gè)階段：當(dāng)物質(zhì)濃度達(dá)到臨界過(guò)飽和濃度時(shí)出現(xiàn)短的爆炸性成核過(guò)程，然后經(jīng)由溶液擴(kuò)散到晶體表面出現(xiàn)核生長(zhǎng)過(guò)程。為能獲得單分散的氧化鐵納米粒子，這兩個(gè)階段必須分離，也就是在生長(zhǎng)過(guò)程中應(yīng)避免成核。磁性納米粒子的尺寸、形狀和組成強(qiáng)烈依靠所用鹽的類型(如高氯酸鹽、鹽酸鹽、硫酸鹽、硝酸鹽等)、Fe2+/ Fe3+摩爾比、介質(zhì)的pH值和離子強(qiáng)度。因此可通過(guò)控制介質(zhì)的pH、離子強(qiáng)度、溫度、鹽的類型或Fe(II)Fe(III)的濃度比，來(lái)控制納米粒子的尺寸和形狀，由此可獲尺寸小到2nm的磁性粒子。（2）. 溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種濕法合成金屬氧化物納米材料方法，其原理是基于前體分子在溶液中發(fā)生水解和縮合反應(yīng)，形成納米尺度“溶膠”，隨后進(jìn)一步發(fā)生縮聚反應(yīng)獲得一個(gè)三維金屬氧化物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)濕的凝膠，然后再在較低的溫度下燒結(jié)成所要合成的材料。其中對(duì)水解、縮合反應(yīng)產(chǎn)生影響進(jìn)而影響凝膠的結(jié)構(gòu)和性能的主要參數(shù)包括：溶劑、溫度、所用前體鹽的性質(zhì)和濃度、pH和攪拌速度。文獻(xiàn)報(bào)道通過(guò)在400oC下直接加熱處理凝膠制備尺寸為6-15nm的-Fe203納米粒子。溶膠-凝膠法主要有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)條件的選擇可獲得預(yù)想結(jié)構(gòu)的材料；(2)可獲得純的無(wú)定形相單分散性好和尺寸可控的粒子：(3)產(chǎn)物的微結(jié)構(gòu)和均一性可得到很好控制；(4)通過(guò)溶膠-凝膠基體可實(shí)現(xiàn)保持被包埋分子好的性能和穩(wěn)定性2。（3）. 水熱和高溫分解法水熱法是指在一定溫度和壓力下，使物質(zhì)在溶液中進(jìn)行反應(yīng)的一種制備方法，所得產(chǎn)物純度高，分散性好，粒度易于控制，近年來(lái)發(fā)展迅速。Cheng等以乙二醇為還原劑，乙酸鈉為靜電穩(wěn)定劑，用水熱法還原FeCl3可得到Fe304。微球。Qi等用十二烷基硫酸鎳作為前體物和表面活性劑，與FeCl3和NaOH溶液在120水熱合成NiFe204納米微粒，其s(比飽和磁化強(qiáng)度)達(dá)到304 emug。然而在研究水熱法制備納米粒子的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，通常的加熱方式由于使反應(yīng)溶液中存在嚴(yán)重的溫度不均勻，使液體不同區(qū)域產(chǎn)物“成核”時(shí)間不同，從而使先前成核微晶聚集長(zhǎng)大，難以保證反應(yīng)產(chǎn)物顆粒的集中分布4。高溫分解法是通過(guò)在高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑中加熱分解有機(jī)金屬化合物來(lái)制備納米粒子的一種方法。通過(guò)控制反應(yīng)時(shí)間和溫度、反應(yīng)物的濃度和比例、溶劑性質(zhì)等可控制納米粒子的尺寸和形態(tài)。表面活性劑吸附到納米粒子表面可起到穩(wěn)定膠體溶液。例如，Sun等報(bào)道以乙酰丙酮鐵鹽為鐵原料，油酸和油胺為穩(wěn)定劑，l，2-十六二醇為還原劑，在高沸點(diǎn)溶劑二苯醚中成功合成了單分散的磁性納米粒子。這些粒子直徑可在4-20nm范圍進(jìn)行精確調(diào)控，通過(guò)加入雙極性表面活性劑可使疏水性粒子轉(zhuǎn)化成親水性粒子2。（4）. 微乳液法微乳液是兩種互不相溶的液體通過(guò)表面活性劑分子作用形成動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定的、各向同性、外觀透明或半透明的分散體系，該體系一般由有機(jī)溶劑、水溶液、表面活性劑和助表面活性劑四部分組成。微乳液可分為水分散在油中(WO)和油分散在水中(OW)兩種體系。例如，用WO反相微乳液來(lái)制備納米粒子時(shí)，一個(gè)表面活性劑分子單層包圍的水溶液相形成一個(gè)個(gè)微液滴(典型的尺寸為1-50nm)分散在連續(xù)的有機(jī)相中，把在微液滴中分別包有反應(yīng)物A和B的相同組成的微乳液混合，微液滴間不斷地相互碰撞、融合、破裂。在碰撞融合的過(guò)程中微液滴間將發(fā)生物質(zhì)交換和核聚集。這樣在一個(gè)微液滴中就會(huì)包有反應(yīng)物A和B，從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)獲得納米粒子。通過(guò)微液滴限制粒子成核和增長(zhǎng)，合成具有尺寸分布窄，具有均一的物理性能的超順磁性納米粒子，由此可避免由共沉淀法制備的粒子存在單分散性差和寬的尺寸分布缺限。Jia等在WO乳液中以含少量水的微液滴作為反應(yīng)器，原位制備磁性殼聚糖Fe304復(fù)合納米粒子。當(dāng)NaOH溶液被加入包含殼聚糖和鐵鹽溶液的乳液中，F(xiàn)e304和殼聚糖納米粒子被沉淀，F(xiàn)e304被殼聚糖納米粒子包覆，當(dāng)用不同分子量的殼聚糖時(shí)，磁性殼聚糖納米粒子尺寸可在1080nm范圍內(nèi)變化。復(fù)合納米粒子的飽和磁化強(qiáng)度值為11.15emug。通過(guò)改變殼聚糖和Fe304重量比可條件復(fù)合粒子的磁化強(qiáng)度值。（5）. 其他化學(xué)方法除上面提到的這些方法外，制備納米磁性粒子還有一些其它方法，如超聲化學(xué)法，其利用超聲波的空化作用瞬間產(chǎn)生的高溫(5000K)、高壓(20MPa)以及極高的冷卻速率（1010K/s)等極端條件促使氧化、還原、分解和水解等反應(yīng)的進(jìn)行來(lái)制各納米粒子。Kim等用超聲化學(xué)方法合成了高飽和磁化強(qiáng)度和高結(jié)晶性的超順磁性Fe304納米粒子，這些磁流體用油酸表面活性劑包被，包被的SPION很容易分散在殼聚糖中，殼聚糖中包覆的SPION的水力學(xué)直徑大約為65nm，呈現(xiàn)好的穩(wěn)定性。除此之外，多元醇還原法、流動(dòng)注射合成法、電化學(xué)法、氣溶膠法等也可以制備納米磁性粒子2。3.性能磁性材料的性能納米科技發(fā)展于20世紀(jì)九十年代，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料尺寸縮小到納米級(jí)時(shí)，材料的許多宏觀性能會(huì)發(fā)生很大的改變，具有很多特殊性質(zhì)，如：表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)，所以納米材料與常規(guī)粗晶材料具有很大性質(zhì)上的不同，除了具有普通材料的性質(zhì)之外，還具有特殊的納米效應(yīng)，使其具有許多優(yōu)異的力學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)及催化和生物學(xué)性能，已成為新世紀(jì)材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。（1）.表面效應(yīng)固體材料的表面原子與內(nèi)部原子所處的環(huán)境不同。當(dāng)材料粒徑遠(yuǎn)大于原子直徑時(shí)，表面原子可以忽略；但當(dāng)粒徑逐漸接近于原子直徑時(shí)，表面原子的數(shù)目及作用就不能忽略，這時(shí)晶粒的表面積、表面能和表面結(jié)合能等急劇增加引起種種特異效應(yīng)稱為表面效應(yīng)。表面效應(yīng)主要表現(xiàn)為：(1)熔點(diǎn)降低；(2)比熱增大，由于表面原子振動(dòng)馳豫造成德拜溫度的顯著下降，使納米晶體的比熱大于塊狀晶體的比熱，粒徑越小，比熱越大。(2) .量子尺寸效應(yīng)介于原子、分子與大塊固體之間的納米顆粒，將大塊材料中連續(xù)的能帶分裂成分立的能級(jí)，能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或磁能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，即量子尺寸效應(yīng)。(3) . 小尺寸效應(yīng)由于顆粒尺寸變小引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為尺寸效應(yīng)。隨著納米微粒尺寸的減小，與體積成比例的能量，如磁各向異性等相應(yīng)降低；當(dāng)體積能與熱能相當(dāng)或更小時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)磁狀態(tài)向順磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變。當(dāng)顆粒尺寸與光波的波長(zhǎng)，傳播電子德布羅意波長(zhǎng)，超導(dǎo)體的相干尺度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光的等離子共振頻率、介電常數(shù)與超導(dǎo)性能的變化。(4) . 宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。今年研究發(fā)現(xiàn)，某些宏觀量（量子相干器件中的磁通、電荷、微粒的磁化強(qiáng)度等）具有的隧道效應(yīng)被稱為宏觀量子隧道效應(yīng)MQT(Macroscopic Quantum Tunneling)。磁性材料的性能具有磁性的材料被稱為磁性材料，而磁性材料作為傳統(tǒng)的功能材料，在各方面已經(jīng)得到極為廣泛的應(yīng)用。物質(zhì)的磁性一般分為五大類：抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性、亞鐵磁性。(1).由基本概念來(lái)看，磁性材料大致分為軟磁性和硬磁性材料兩大類。軟磁性材料可以被很低的外磁場(chǎng)磁化，但當(dāng)外磁場(chǎng)去除后其剩磁很低，一般矯頑力Hc在400m(5 Oe)到O16m(O002 Oe)之間。粒子軟磁性行為在很多利用外磁場(chǎng)響應(yīng)的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。而硬磁性材料則在外磁場(chǎng)作用后總是表現(xiàn)出很大的剩磁，一般矯頑力Hc在10 kAm(125 Oe)到l Mm(12 kOe)之間。其中矯頑力很大的即為永久磁鐵，一般可以作為研究體系中的外加磁場(chǎng)。(2).由性能來(lái)看，磁性材料又可分為結(jié)構(gòu)敏感和結(jié)構(gòu)非敏感型材料。結(jié)構(gòu)非敏感型材料是指其磁性不受材料處理過(guò)程(熱處理或機(jī)械變形)或材料組分(如微量摻雜)等影響。而這些性質(zhì)是強(qiáng)烈依賴于合金的特定組成并在材料的后續(xù)化學(xué)物理處理過(guò)程中不再改變的。結(jié)構(gòu)敏感型材料則相反，其磁性受材料所含雜質(zhì)的影響很大。磁性納米材料納米技術(shù)使傳統(tǒng)的磁學(xué)變得年輕活躍，磁性材料使納米材料的發(fā)展進(jìn)入新紀(jì)元。隨著納米科技的發(fā)展，對(duì)磁性納米材料的研究受到諸多學(xué)者的關(guān)注。塊體材料中，決定磁性材料磁的性能(如矯頑力和磁化系數(shù))的關(guān)鍵參數(shù)有：組成、晶體結(jié)構(gòu)、磁各向異性能和空缺【7】。然而當(dāng)它們的尺寸減小到納米尺度時(shí)，兩個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)即尺寸和形狀強(qiáng)烈影響著其磁性能，使磁性納米粒子呈現(xiàn)超順磁性，高矯頑力，低居里溫度和高磁化率【8，9】。(1). 超順磁性磁性納米粒子的尺寸達(dá)到一定臨喬值時(shí)將具有超順磁性，。不同的磁性納米粒子對(duì)應(yīng)的臨界值也不同。如粒徑為85nm的納米Ni粒子，)C服從居里-夕f、斯(Curie，Weiss law)定律，而粒徑小于15rim的Ni粒子，矯頑力Hc_0，此時(shí)Ni粒子就具有了超順磁性。此時(shí)的磁化強(qiáng)度Mp可以用朗之)5-(Langevin)公式描述：ItFFKaTl時(shí)，MpTt2I-I(3KBT)。(2). 高矯頑力矯頑力是一個(gè)表示磁化強(qiáng)度變化困難程度的量，它也是表征材料在磁化以后保持磁感應(yīng)強(qiáng)度的能力。納米粒子尺寸高于超順磁臨界尺寸時(shí)通常呈現(xiàn)高的矯頑力Hc。對(duì)于磁性納米粒子具有高矯頑力的原因有兩種解釋：一致轉(zhuǎn)動(dòng)模式和球鏈反轉(zhuǎn)磁化模式。但這兩種理論都還不成熟，還有待進(jìn)一步的探索和研究。(3). 居里溫度居里溫度Tc是物質(zhì)磁性的重要參數(shù)，通常與交換積分Jc成正比，并與原子構(gòu)型和間距有關(guān)。對(duì)于磁性納米粒子，由于小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)而導(dǎo)致納米粒子的本征和自旋的磁性變化，因此具有較低的居里溫度。超順磁性納米粒子的居里溫度，隨粒徑的下降有所下降。(4). 高磁化率納米粒子的磁性與它所含的總電子數(shù)的奇偶性密切相關(guān)，每個(gè)微粒的電子可以看成一個(gè)體系，電子數(shù)的宇稱可為奇或偶。一價(jià)金屬的微粉，一半粒子的宇稱為奇，另一半為偶，兩價(jià)金屬的粒子的宇稱為偶，電子數(shù)為奇或偶數(shù)的粒子磁性有不同溫度特點(diǎn)。電子數(shù)為奇數(shù)的粒子集合體的磁化率服從居里-外斯定律，X= C(T-Tc)，量子尺寸效應(yīng)使磁化率遵從d-3規(guī)律；電子數(shù)為偶數(shù)的系統(tǒng)，遵從d2規(guī)律。納米磁性金屬的X值是常規(guī)金屬的20倍。影響納米粒子磁性的兩個(gè)主要因素是：小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)。小尺寸效應(yīng)是電子在納米粒子中的量子限域所致；而表面效應(yīng)則和粒子中對(duì)稱性晶體邊界條件的消失有關(guān)【10】。4.應(yīng)用（1）. 作為化學(xué)工業(yè)中的催化劑的應(yīng)用用作高性能催化劑： 在這種催化反應(yīng)中，比表面積和表面能均很大的納米粒子具有優(yōu)良的催化特性。 如鉑金系納米粒子催化劑，可供電絕緣涂層固化時(shí)使用；鐵系納米粒子催化劑可供氣相法碳纖維用；鎳系納米粒子催化劑可供氫反應(yīng)用等等。 作為燒結(jié)助劑方面：由于納米材料的表面能異常大，因此粒子與粒子間的燒結(jié)則容易進(jìn)行。利用納米材料這一特征，可將其制成用以降低燒結(jié)溫度的助劑。若全部用納米材料進(jìn)行燒結(jié)存在很多技術(shù)問(wèn)題：如納米材料本身價(jià)格比較貴成型性不好，壓粉密度低，燒結(jié)時(shí)收縮率大等。如上所述，在粉末中添加少量的納米材料，進(jìn)行活性化燒結(jié)的方法是最有效的方法。與此相反，也可利用單一納米材料的燒結(jié)性不好這一特點(diǎn)，而將其制成多孔質(zhì)過(guò)濾器，用于分離和濃縮有機(jī)高分子氣體。這也是今后很有價(jià)值的應(yīng)用。 (2). 納米金屬粉末的抗磨性及應(yīng)用 如在摩擦空隙導(dǎo)入含有膠態(tài)金屬附加物的潤(rùn)滑油后，大大增加摩擦空隙的抗磨性能。摩擦表面的抗磨性能大都取決于這些表面和位于摩擦結(jié)點(diǎn)空隙處的油間層的物理化學(xué)狀態(tài)。在附加膠態(tài)金屬的潤(rùn)滑油通常僅在接觸的金屬表面上形成吸附性的溶劑化物層。在這種情況下，潤(rùn)滑油的間層總共有二層溶劑化物層組成，而在二層之間處于薄的自由油層。而附加納米金屬粉末相應(yīng)的有機(jī)溶膠分散相后，位于摩擦結(jié)點(diǎn)空隙的潤(rùn)滑油間層具有其他的結(jié)構(gòu)。 由于大量膠態(tài)金屬質(zhì)點(diǎn)的存在和每一質(zhì)點(diǎn)表面上溶劑化物層的生成，幾乎所有這些間層的潤(rùn)滑油處于溶劑化物態(tài)。因此，當(dāng)在焦油中存在膠態(tài)金屬時(shí)，在空隙處出現(xiàn)許多量的溶劑化物層來(lái)代替二層溶劑化油層，這就很合適于影響摩擦系數(shù)的降低和減少金屬的磨損量。如納米Fe粉，鉍粉均有廣泛用途(3). 納米金屬粉和合金粉的磁性及應(yīng)用 在電工機(jī)械制造工業(yè)、無(wú)線電工業(yè)和其他工業(yè)部門采用納米 Fe 磁性金屬粉和合金粉來(lái)制造永磁材料和高頻無(wú)線電裝置工業(yè)用的各種感應(yīng)線圈的鐵芯。這種鐵芯應(yīng)具有高的磁導(dǎo)率和大的歐姆電阻，因此它們往往用金屬粉末和其他混合物壓制而成。 (4). 納米材料在隱身材料領(lǐng)域的應(yīng)用為了得到高性能實(shí)用的微波吸收材料，需要高性能的吸收劑。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，納米粒子適宜作為吸收材料的主要材質(zhì)，因它可以使材料得到優(yōu)異的電磁特性，諸如吸收性能好、吸收頻帶寬，與其它隱身材料容易兼容等。最可貴的是，由于納米粒子比重輕，材料重量比通過(guò)其它途徑制得的材料輕得多，如 8601 微波吸收材料，就是采用強(qiáng)磁性納米粒子作為材料主要材質(zhì)，通過(guò)合理的阻抗匹配原理制造而成。(5). 磁性納米的應(yīng)用磁性納米顆粒作為靶向藥物，細(xì)胞分離，磁控造影劑等醫(yī)療應(yīng)用也是當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)的一熱門研究課題，有的已步入臨床試驗(yàn)。納米有序陣列在傳感器、場(chǎng)致發(fā)光等也具有廣泛用途。(6). 目前磁性材料已廣泛應(yīng)用于細(xì)胞分離、 固定化酶、靶向藥物、 免疫測(cè)定等領(lǐng)域。磁性材料在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用 大多數(shù)都是基于多功能納米粒子的磁性、光學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)，其他方面例如功能基團(tuán)的協(xié)同效應(yīng)和放大效應(yīng)以及納米尺度也對(duì)其分離有一定的影響。磁性粒子的磁化強(qiáng)度、大小，形貌、形狀及分布影響著它們的本質(zhì)和功能，使它們更加適用于某種類型的分析物的分析。納米磁性材料在生物分離中的應(yīng)用 磁性納米粒子尤其適用于分析含顆粒或微生物的樣品，目前已有許多納米磁性材料作為固相萃取固定相應(yīng)用在環(huán)境污染物分析的報(bào)道。納米磁性材料在中草藥成分分析中的應(yīng)用 納米磁性材料不僅可以用于環(huán)境污染物的分析，而且在中草藥分離提取、劑型加工、藥物代謝與轉(zhuǎn)運(yùn)分析中的研究也取得了一些成果。(7). 碳納米材料在生物傳感器中的應(yīng)用 例如零維的富勒烯、一維的碳納米管和二維的石墨烯等。碳納米材料作為一種常用的納米材料，具有良好的生物相容性、優(yōu)良的催化性、導(dǎo)電性、大的比表面積、強(qiáng)的吸附能力等優(yōu)點(diǎn)，在生物傳感器的構(gòu)建中得到了廣泛而有效的應(yīng)用。富勒烯 目前，富勒烯的研究應(yīng)用已經(jīng)涉及到化學(xué)、生命科學(xué)等眾多學(xué)科并具有巨大的應(yīng)用潛力。富勒烯可以作為一種熒光淬滅劑廣泛應(yīng)用于生物傳感領(lǐng)域。碳量子點(diǎn) 由于碳量子點(diǎn)在光照情況下可以發(fā)出明亮的光，且發(fā)光范圍可調(diào)，因此也廣泛應(yīng)用于熒光成像等方面。 (8). 其它納米材料在生物傳感器中的應(yīng)用 磁性納米材料作為一種重要的納米材料，除了在理、化學(xué)方面具有納米材料特性外，還具有其特殊的磁性能。尤其是 Fe3O4磁性納米顆粒因其獨(dú)特超順磁性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如細(xì)胞標(biāo)記與分離、腫瘤熱療、磁靶向藥物輸送及磁共振造影劑等領(lǐng)域顯示出非常廣闊的應(yīng)用前景。5.其他（1）. CoPt磁性納米CoPt納米顆粒納米顆粒是屬于零維的納米材料，在納米材料中占據(jù)相當(dāng)重要的地位。對(duì)于磁性納米材料來(lái) 說(shuō)，不僅可以填充入樹(shù)脂類以及橡膠類產(chǎn)品中形成具有特殊磁性的功能性材料，同時(shí)還可以 制備成為磁性液體，在高真空系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)磁密封。另外，在醫(yī)藥方面可以利用磁性納米顆粒實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物的靶向作用，將藥物直接輸送到病變位置，在生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和前景。而CoPt磁性納米又具有其他磁性納米材料所不具有的單軸磁晶各向異性、高矯頑力、高居里溫度以及穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，而成為目前磁性納米所研究的一個(gè)熱點(diǎn)。CoPt納米線納米線體材料具有獨(dú)特的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)，使其具有其他納米材料所不具備的特性是目前納米材料中研究的熱點(diǎn)。磁性納米線具有形狀各向異性，可以進(jìn)一步增加磁性材料的各向異性，提高磁性納米材料的矯頑力。而CoPt磁性納米材料本身具有較高的單軸磁晶各向異性，如果制成納米線體材料可以進(jìn)一步增加材料的各向異性，使 CoPt磁性納米線的磁性能更加優(yōu)異。CoPt納米薄膜磁性薄膜在磁記錄和磁光存儲(chǔ)技術(shù)方面已有廣泛的應(yīng)用，形成了巨大的產(chǎn)業(yè)。納米磁性薄膜是二維的納米材料，由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)以及在超高密度磁記錄、磁傳感器和MEMS方面潛在的應(yīng)用價(jià)值，引起了人們極大的興趣。目前制備納米磁性薄膜的方法主要有磁控濺射法、分子束外延法以及電化學(xué)方法等，下面主要介紹近年來(lái)利用這些方法在CoPt納米磁性薄膜的研究方面取得的進(jìn)展。（2）. Fe3O4磁性納米顆粒固相萃取磁性固相萃取是一種以磁性或可磁化的材料作為吸附劑基質(zhì)的一種固相萃取技術(shù)，在MSPE過(guò)程中，將磁性吸附劑添加到樣品溶液或懸浮液中，目標(biāo)分析物被吸附到分散的磁性吸附劑 表面，在外部磁場(chǎng)的作用下，使目標(biāo)分析物與樣品基質(zhì)分離開(kāi)來(lái)。在實(shí)際操作中往往通過(guò)制備超順磁性氧化鐵納米粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)磁性材料的單分散性。對(duì)磁性顆粒表面進(jìn)行化學(xué)功能團(tuán)修 飾或通過(guò)包埋法制備復(fù)合納米磁性微球，所得的納米磁珠吸附劑分散性好。磁性固相萃取技術(shù)與普通固相萃取技術(shù)相比，萃取過(guò)程簡(jiǎn)單、快速，污染少且由于雜質(zhì)一般為反磁性物質(zhì)，因而能有效避免雜質(zhì)的干擾。免疫分析以磁性納米顆粒為基質(zhì)，在其表面鏈接抗體，合成高效人工抗體材料，應(yīng)用抗原抗體免疫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的分離。目前，功能化納米材料已被成功應(yīng)用于生物、化學(xué)等領(lǐng)域，也可用于復(fù)雜樣品中農(nóng)獸藥殘留分離富集檢測(cè)中。在免疫分析研究中，越來(lái)越多的研究開(kāi)始應(yīng)用納米顆粒及標(biāo)記技術(shù)來(lái)提高檢測(cè)的靈敏度、特異性以及簡(jiǎn)化操作。分子印跡將Fe3O4復(fù)合材料運(yùn)用于MIP中，使分子印跡材料具有磁敏感性，因而不但能夠識(shí)別特定分子，且在外加磁場(chǎng)作用下能實(shí)現(xiàn)定向移動(dòng)，從而使得MIP的應(yīng)用得到進(jìn)一步拓展。運(yùn)用分子印跡技術(shù)，以甲基對(duì)硫磷為模板分子，將巰基丙酸修飾到Fe3O4納米顆粒表面，制備出 形狀大小與模板分子相匹配的表面分子印跡膜。然后通過(guò)電化學(xué)試驗(yàn)證實(shí)該電極對(duì)模板分 子甲基對(duì)硫磷具有很強(qiáng)的吸附力，且在2.010-71.010-4 mol/L成線性關(guān)系，其檢測(cè)限為2.010-7mol/L。在吡蟲(chóng)啉、對(duì)硫磷等結(jié)構(gòu)相似的干擾物存在下，該電極對(duì)甲基對(duì)硫磷具有良好的選擇性，且該分子印跡材料制備方法簡(jiǎn)便，可重復(fù)使用。通過(guò)分子印跡技術(shù)，以磺胺為模板分子，甲基丙烯酸為功能單體，利用Fe3O4磁性納米微球制備具有特異性識(shí)別磺胺的磁性分子印跡聚合物，并對(duì)該磁性印跡聚合物的吸附性能進(jìn)行研究，得出印跡聚合物的最大吸附量為280.99mol/g，平衡離解常數(shù)KD為1.5810-3mol/L，結(jié)果表明，所制備的磺胺磁性分子印跡微球?qū)δ０宸肿泳哂刑禺愋晕健Ｓ梦⒉ㄝo助加熱懸浮聚合法制備了以莠去 津?yàn)槟０宸肿拥拇判苑肿佑≯E聚合物，該聚合物可以有效地提取土壤、大豆、生菜和小米粥樣品中的莠去津農(nóng)藥并且可以重復(fù)使用100次以上。國(guó)內(nèi)外對(duì)磁性納米顆粒及分子印跡技術(shù)聯(lián)用的研究還在不斷的探索與開(kāi)發(fā)當(dāng)中，并已取得一定成果。6.結(jié)語(yǔ)（1）. 隨著納米材料合成技術(shù)的不斷完善，人們對(duì)納米粒子的形狀、大小、組分的控制也日趨成熟。但如何精確控制合成條件，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的高品質(zhì)磁納米粒子生產(chǎn)仍是研究者面臨的挑戰(zhàn)性工作。存在的問(wèn)題包括前體物價(jià)格昂貴，前體物具毒性，產(chǎn)物不能形成穩(wěn)定的分散體系，如何構(gòu)建多功能磁性納米體系等。只有確保合成出的磁性納米材料性能穩(wěn)定，才能更好的實(shí)現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。磁性納米材料作為納米材料科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)明星，在新材料、能源、信息、生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域必將發(fā)揮重要作用。(2). 磁性納米顆粒是一類智能型的納米材料，既具有納米材料所特有的性質(zhì)，又具有良好的磁性材料的性能，由于在磁共振成像、磁熱療、藥物緩釋、細(xì)胞分離等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、主動(dòng)半主動(dòng)阻尼器件、自動(dòng)化和機(jī)電一體化等工程控制領(lǐng)域的巨大應(yīng)用價(jià)值，磁性納米材料成為化學(xué)、物理、機(jī)械、微納電子等多學(xué)科、交叉性的研究重點(diǎn)之一。(3). 采用羰基法氣相化學(xué)工程可以制備出性能優(yōu)異的納米Ni粉、納米Fe粉、納米（Fe、Ni）合金粉、納米Fe2N 粉等，是目前可以工業(yè)化生產(chǎn)納米磁性材料的較為理想工藝手段。磁性納米材料和納米結(jié)構(gòu)是納米科技的重要組成部分，具有較長(zhǎng)的研究歷史，部分研究成果己進(jìn)入規(guī)模化的工業(yè)生產(chǎn)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，其基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)正方興未艾。影響納米磁性粉體顆粒大小和性能的因素諸多，如何綜合調(diào)控諸多因素是獲得高性能納米粉體的重要技術(shù)措施。納米材料的制備技術(shù)是納米科學(xué)發(fā)展的最重要內(nèi)涵，高質(zhì)量高性能的納米材料及其應(yīng)用技術(shù)是開(kāi)創(chuàng)和發(fā)展新材料領(lǐng)域的支柱。今天重視納米科技研究開(kāi)發(fā)的人們，必將在未來(lái)的高科技競(jìng)爭(zhēng)中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。運(yùn)用納米磁性材料提取蒽醌類化合物，固相萃取的發(fā)生主要是由于混合半膠束和蒽醌類化合物之間的疏水相互作用。擴(kuò)展磁性納米粒子的分散性，探索其表面功能化基團(tuán)的修飾， 擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，是對(duì)納米磁性材料的發(fā)展的一個(gè)挑戰(zhàn)。與常規(guī)樣品處理方法相比，磁性固相萃取法具有其特有的優(yōu)勢(shì)，如分析時(shí)間短、對(duì)環(huán)境友好、溶劑用量少、可重復(fù)使用、選擇性高等。微米及納米級(jí)的磁性材料已經(jīng)出現(xiàn)且部分商品化。不久的將來(lái)，磁性材料必將會(huì)應(yīng)用于樣品前處理、分離及檢測(cè)，且該方法與其他分析方法的聯(lián)用將拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。屆時(shí)， 磁性材料在像中草藥這樣的復(fù)雜樣品及大體積樣品的前處理等方面擁有很大的應(yīng)用空間。同時(shí)，新型的磁性固相萃取模式及更多的磁性萃取材料的發(fā)展，也將為中草藥復(fù)雜基質(zhì)的成分分析帶來(lái)更多的生機(jī)。（4）. 目前在CoPt磁性納米材料的制備方面,已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但是還不能滿足實(shí)際應(yīng)用 的需求。一般來(lái)說(shuō)，物理方法對(duì)制備的條件要求較高,設(shè)備復(fù)雜，成本較高，但是制備的磁性納米材料的純度較高。化學(xué)方法的設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易、可以比較方便地制備CoPt磁性納米顆粒、納米線以及納米薄膜，但是制備的材料會(huì)含有一定比例的雜質(zhì)。若能夠添加少量不和Co,Pt形成固溶體的第三元素,如 Sn,Pb,Sb和Bi等能有效降低CoPt由 Al相到 L10相轉(zhuǎn)變的相變溫度;在電化學(xué)方法中用W,Zn等元素替代部分Pt原子可以在保持磁性能基本不變的情況下大大降低成本，該方法制備CoPt合金有望實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、規(guī)模化和商品化生產(chǎn)。開(kāi)展CoPt磁性納米材料的制備以及性能方面的研究具有十分重要的科學(xué)意義，可以進(jìn)一步促進(jìn)高密度磁記錄工業(yè)和MEMS的發(fā)展和應(yīng)用。Fe3O4磁性納米材料在農(nóng)獸藥殘留檢測(cè)的各項(xiàng)技術(shù)中已得到了廣泛的應(yīng)用，這對(duì)于農(nóng)獸藥殘留檢測(cè)的發(fā)展和完善有著非常重要的意義。但隨著對(duì)農(nóng)獸藥殘留檢測(cè)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)獸藥殘留檢測(cè)的快速、靈敏、特異性強(qiáng)的要求還需要更進(jìn)一步的探索。而充分運(yùn)用磁性納米材料，發(fā)展農(nóng)獸藥殘留納米檢測(cè)技術(shù)，研究和制備更優(yōu)化的功能性復(fù)合納米顆粒，并 將Fe3O4復(fù)合磁性納米材料與免疫分析技術(shù)、分子印跡技術(shù)相結(jié)合，處理技術(shù)與檢測(cè)體系是未來(lái)農(nóng)獸藥殘留檢測(cè)的新方向。參考文獻(xiàn)