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四氧化三鐵亦稱“磁性氧化鐵”?；瘜W(xué)式Fe3O4。分子量231.54。黑色立方晶體或紅黑色無(wú)定形粉末。比重5.18。熔點(diǎn)1，538℃(分解)。溶于酸，不溶于水、乙醇和乙醚。在空氣中灼燒時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槿趸F。有強(qiáng)磁性，具磁極的即天然磁石，灼熱(約500℃)后磁性消失，冷卻后磁性復(fù)原。在自然界中以磁鐵礦形式存在，是冶煉鐵和鋼的原料。由鐵或氧化亞鐵在空氣(或氧)中加熱或由三氧化二鐵在400℃以氫還原而制得，或由硫酸亞鐵和硫酸鐵的混合液與5%的沸騰氫氧化鉀溶液反應(yīng)而得。用于醫(yī)藥、冶金、電子和紡織等工業(yè)，以及用作催化劑、拋光劑、油漆和陶瓷等的顏料、玻璃著色劑等。特制的磁性氧化鐵可用以制造錄音磁帶和電信器材。。
四氧化三鐵作為一種常見(jiàn)的鐵的氧化物，在自然界中廣泛存在，具有反尖晶石結(jié)構(gòu)。對(duì)于具有尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物而言，其通式可以用表示。其中氧離子為面心立方堆積，而離子填充在四面體空隙中，離子填充在八面體空隙中，如圖所示。對(duì)于而言，由于具有反尖晶石結(jié)構(gòu)，所以會(huì)有一半的離子填充在四面體空隙中，離子與另一半填充在八面體空隙中。
四氧化三鐵具有亞鐵磁性，屬于軟磁材料的一種。由于四氧化三鐵的反尖晶石結(jié)構(gòu)，氧離子會(huì)將鐵離子隔開(kāi)，同時(shí)起到?jīng)_淡磁性離子的作用，從而導(dǎo)致相鄰的離子的磁矩反平行排列。因此，四氧化三鐵的磁性能是由離子決定的。研究表明，四氧化三鐵顆粒的磁性能與其尺寸大小有密切關(guān)系。通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)四氧化三鐵顆粒的尺寸小于時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出室溫超順磁性。這主要是當(dāng)四氧化三鐵顆粒尺寸減小到臨界尺寸（約時(shí)，其磁各向異性能與熱動(dòng)能在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，其內(nèi)部由多個(gè)原子自旋偶合引起的磁矩可以近似為單一順磁原子的磁矩行為。當(dāng)熱振動(dòng)能大于交換能的作用時(shí)，在無(wú)規(guī)則布朗運(yùn)動(dòng)的作用下，可以認(rèn)為原子磁矩間無(wú)相互作用。四氧化三鐵納米顆粒將會(huì)喪失室溫亞鐵磁性，呈現(xiàn)出超順磁狀態(tài)。另外，四氧化三鐵還是導(dǎo)體，因?yàn)樵谒难趸F中由于與在八面體位置上基本上是無(wú)序排列的，電子可在鐵的兩種氧化態(tài)間迅速發(fā)生轉(zhuǎn)移，所以四氧化三鐵具有優(yōu)良的導(dǎo)電性。
由于四氧化三鐵的制備方法簡(jiǎn)單、形貌可控，同時(shí)還具有出色磁性能和生物相容性，所以有十分廣泛的應(yīng)用范圍。
1. 磁流體。磁流體是指通過(guò)將超細(xì)磁性顆粒均分分散在有機(jī)液中，形成穩(wěn)定的膠狀磁性材料，廣泛應(yīng)用于航天、機(jī)械、電子和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。等采用共沉淀法制備了納米磁流體，這種材料可以用來(lái)進(jìn)行基因革巴向治療以及藥物的輸運(yùn)。世紀(jì)中葉，磁流體開(kāi)始應(yīng)用于航天領(lǐng)域，以解決宇宙環(huán)境中的密封問(wèn)題。選用粒徑尺寸為左右的四氧化三鐵納米顆粒，在表面活性劑的作用下使其分散在煤油中。這種穩(wěn)定的磁性膠體，可以在外加磁場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，達(dá)到很好的密封效果。
染料。四氧化三鐵作為一種黑色粉末，具有出色的著色能力，是一種優(yōu)良的顏料。尤其是對(duì)于超細(xì)級(jí)的四氧化三鐵粉末來(lái)說(shuō)，其超細(xì)的顆粒有助于附著在被染色體的表面。同時(shí)，四氧化三鐵不會(huì)污染環(huán)境，是一種天然的、無(wú)害的優(yōu)質(zhì)染料，可以取代其他價(jià)格昂貴且對(duì)環(huán)境有嚴(yán)重污染的有機(jī)染料。
2. 微波吸收。由于四氧化三鐵所特有的磁學(xué)和電學(xué)性能，使得它可以應(yīng)用于微波吸收領(lǐng)域等采用簡(jiǎn)單溶劑熱法制備了實(shí)心結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵顆粒，通過(guò)對(duì)其微波吸收性能的研宄發(fā)現(xiàn)，四氧化三鐵與石錯(cuò)的不同配比會(huì)引起磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率的變化，其最小反射損耗為。
3. 生物醫(yī)療。近年來(lái)隨著醫(yī)療手段的不斷進(jìn)步，人們開(kāi)始由傳統(tǒng)的醫(yī)療手段向高精尖跨越。人們發(fā)現(xiàn)，四氧化三鐵作為具有磁可控材料，在生物醫(yī)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在這方面的做了大量的研究工作。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
①活性生物體分離。將經(jīng)過(guò)表面修飾后的磁性四氧化三鐵顆粒與某種配體結(jié)合，通過(guò)外加磁場(chǎng)的作用，可以快速的將特定的受體分離出來(lái)。這種方法具有識(shí)別能力強(qiáng)，專一化的特點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)對(duì)活性物質(zhì)造成破壞。等通過(guò)四氧化三鐵表面包覆含有稀土元素的憐酸鹽，成功的將多肽蛋白捕獲和分離。四氧化三鐵顆粒與氧化石墨稀復(fù)合，并依此為載體，在其表面修飾癌細(xì)胞受體，通過(guò)磁場(chǎng)控制成功的將癌細(xì)胞捕獲。
②磁熱療。由于四氧化三鐵顆粒在交變磁場(chǎng)下產(chǎn)生高磁滯，因而有大量熱能產(chǎn)生。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以將四氧化三鐵注入到病灶部位，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤細(xì)胞的熱療使其凋亡、壞死。如果同時(shí)結(jié)合化療，將抗癌藥物負(fù)載到磁性顆粒上，可以達(dá)到更好的治療效果。這種治療手段，安全快捷，成本相對(duì)低廉，而且沒(méi)有輻射，具有巨大的應(yīng)用前景。
③藥物輸運(yùn)。通過(guò)在四氧化三鐵表面修飾特定的官能團(tuán)，可以使它與特定的抗體或朝向藥物進(jìn)行結(jié)合，在外磁場(chǎng)的定向引導(dǎo)下，直達(dá)病灶部位，釋放藥物，實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶的定向治療。利用修飾四氧化三鐵顆粒，同時(shí)用氨水將其功能化，變成親水顆粒；然后再表面包覆抗癌藥物阿霉素（再在其外層包覆一種聚合物。實(shí)現(xiàn)了藥物的定向輸運(yùn)和緩慢釋放，對(duì)癌細(xì)胞的治療有持續(xù)的效果。采用這種辦法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶部位的靴向治療，大大降低藥物的使用量，提高效率，同時(shí)還可以有效避免對(duì)人體其他健康細(xì)胞的傷害。
④醫(yī)療成像。核磁共振成像（是一種被廣泛應(yīng)用于臨床檢測(cè)和診斷的手段。其優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)生物組織無(wú)損，可實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。為了提高病變組織辨識(shí)度，需要使病變組織和正常組織之間的對(duì)比度清晰，因此選擇合適的造影劑十分關(guān)鍵。造影劑可以改變生物組織的自旋自旋馳豫時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)成病變區(qū)域?qū)Ρ榷鹊哪康摹２捎萌軇岱ㄖ频昧俗笥业乃难趸F顆粒，并對(duì)其表面進(jìn)行修飾，依次作為顯影劑，對(duì)鼠的肝癌細(xì)胞進(jìn)行核磁共振成像。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，病灶檢出率高達(dá)，當(dāng)癌變組織小于時(shí)，平掃與增強(qiáng)檢出率相差顯著，其中平掃檢出率為。
4. 其他應(yīng)用。除了上述的應(yīng)用領(lǐng)域外，四氧化三鐵材料在催化和傳感器方面也有重要應(yīng)用。
四氧化三鐵作為一種常用的磁性材料，制備方法有很多種，主要可以概括為物理法和化學(xué)法。其中化學(xué)法是最常用的制備方法，包括共沉淀法、水溶劑熱法、溶膠凝膠法、金屬前驅(qū)體熱解法、微乳液法等。而常用的物理方法有物理氣相沉積法和機(jī)械球磨法。
1）物理氣相沉積法。物理氣相沉積是在真空條件下，使金屬或化合物蒸發(fā)，然后沉積在基體表面，從而獲得具有特殊功能的薄膜技術(shù)。通過(guò)物理氣相沉積法在金屬的（晶面沉積了一層四氧化三鐵薄膜，研究金屬與四氧化三鐵界面之間氧化物的生成。雖然可以制備出具有高純度、高結(jié)晶性的四氧化三鐵薄膜，但是由于這種方法對(duì)設(shè)備要求較高，同時(shí)實(shí)驗(yàn)條件也要嚴(yán)格控制。因此，一般很少采用法制備四氧化三鐵，除非有特殊的需要。
2）機(jī)械球磨法。機(jī)械球磨是最原始的制備納米顆粒的物理方法，通過(guò)球磨機(jī)的擠壓和研磨，獲得細(xì)化的四氧化三鐵顆粒。將四氧化三鐵前驅(qū)體粉末在真空和液氮冷卻條件下球磨，得到了左右的四氧化三鐵納米顆粒。等采用固液混合球磨法，在氬氣保護(hù)下，將微米級(jí)的四氧化三鐵與一定量的甲醇混合，球磨不同的時(shí)間，得到了可控尺寸的納米級(jí)四氧化三鐵顆粒。機(jī)械球磨法常被用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，因?yàn)槠洚a(chǎn)量大，操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求不高。但是，采用這種辦法制備的樣品純度不高，時(shí)間長(zhǎng)，能源消耗大。
3）共沉淀法。共沉淀法是目前制備納米級(jí)四氧化三鐵顆粒最為普遍的方法，反應(yīng)原理如下：
實(shí)驗(yàn)過(guò)程是：首先，將含有離子和離子的可溶鹽溶液，按一定的比例混合；然后，加入過(guò)量的沉淀劑（通常為堿性溶液），同時(shí)控制溫度、值等反應(yīng)條件；最后，鐵離子會(huì)結(jié)晶沉淀，將沉淀物洗漆，干燥，最終獲得納米級(jí)的四氧化三鐵顆粒。
4）溶劑熱法。水溶劑熱法可以簡(jiǎn)單的稱為熱液法，屬于液相化學(xué)的范疇。通常是在密封的反應(yīng)蓋中，以水或其他溶劑作為分散介質(zhì)，在高溫高壓環(huán)境下，合成材料。其基本原理是溶解再結(jié)晶。首先，鐵鹽在高溫溶劑中溶解，形成鐵離子；由于反應(yīng)羞內(nèi)溫差而產(chǎn)生對(duì)流，將離子輸運(yùn)到低溫的區(qū)。形成過(guò)飽和溶液；此時(shí)，便會(huì)有晶粒析出、生長(zhǎng)，繼而生成四氧化三鐵顆粒。
5）溶膠凝膠法。溶膠凝膠法制備四氧化三鐵顆粒的一般實(shí)驗(yàn)流程為：首先，配置一定比例的和溶液；然后，加入一定的有機(jī)酸，調(diào)節(jié)值，形成溶膠；最后讓溶液慢慢蒸發(fā)，形成凝膠，熱處理得到最終產(chǎn)物。金屬前驅(qū)體熱解法。熱解法是指，在高溫環(huán)境下，使前驅(qū)體材料熱分解或者發(fā)生其他化學(xué)反應(yīng)，生成具有新的化學(xué)組分的納米顆粒。在的高溫下，通過(guò)分解乙酰丙酮亞鐵，同時(shí)在磁場(chǎng)作用下，獲得了正四面體結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵顆粒。以或則為前驅(qū)體，在十八院煤溶液中加入表面活性劑，高溫?zé)峤饪芍频眉{米尺寸的磁性顆粒。
6）微乳液法。通過(guò)油、水和表面活性劑的混合，組成具有穩(wěn)定體系的微乳液。在此體系中主要包括分散介質(zhì)（不溶于水的非極性物質(zhì)）、分散相（反應(yīng)物的水溶液）和乳化劑（表面活性劑），可以形成油包水型和水包油型微乳液。等采用水包油微乳液，獲得了粒徑分布在左右的四氧化三鐵顆粒采用六氫化苯為油相，水溶液為分散相，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將和的混合溶液緩慢滴加到乳液中。分別用環(huán)己胺和油胺作為沉淀劑，可以得到不同尺寸的四氧化三鐵納米顆粒。釆用微乳液熱法制備的四氧化三鐵顆粒具有粒徑分布窄，形狀規(guī)則，分散性好等特點(diǎn)。同時(shí)，反應(yīng)過(guò)程中表面活性劑的加入可以在一定程度上起到顆粒表面改性的作用，從而改善其性能。
[1] 化學(xué)詞典
[2] 四氧化三鐵顆粒的制備及其石墨烯復(fù)合材料鋰電性能研究