Biomimetic synthesis, magnetic properties and applications of magnetite nanoparticles

Abstract

Demir oksitler doğada yaygın olan ve bir çok farklı disiplin için önemi büyük olan inorganik bileşiklerdir. Bu bileşiklerin bir üyesi olan magnetit, mükemmel manyetik özellikleri ve biyouyumluluğu sayesinde üzerinde en çok çalışılmış, doğal yollarla oluşan bir mineraldir. Magnetit nanoparçacıkların farklı uygulamalarda, etkin kullanımları stabilitelerine, boyutlarına ve şekillerine göre değişkenlik göstermektedir. Her ne kadar, yüksek sıcaklık ve/veya komplike sentez yöntemleri kullanımı olmadan magnetit morfolojisini kontrol etmek zor olsa da, magnetit nanoparçacıklarının demir (II) hidroksit prekursörünün kısmi oksidasyonunun doğal koşullarda (oda sıcaklığı ve su içerisinde) sentezi esnasında çözülebilir bir poli(amino asit) ile etkileşim sayesinde manyetit nanoparçacıklarının oluşumlarının düzenlenebilme olasılığı gösterilmiştir. Magnetit nanoparçacıkların sulu ortamdaki stabiliteleri ilaç taşınımı, ısı transferi ve manyetik hipertermi gibi uygulamalarda esas olduğu için, kısmi oksidasyon ve birlikte çöktürme yöntemleri ile sentezlenen ferrimanyetik ve süperparamanyetik magnetit nanoparçacıklar sırasıyla poli(akrilik asit) ve poli(etilen imin)-graft-poli(oligo(etilen glikol metil eter) ile işlevselleştirilmiştir. Bu polimerleri kullanarak elde edilen sulu ortam stabilitesi, magnetit-polimer komplekslerinin farklı uygulamalarda kullanımını elverişli hale getirmiştir. Literatürden elde edilen bilgilere göre, bu tarz yüzey kaplamaları manyetik olarak düzensiz bir katman oluşturup toplam manyetik faz miktarını azaltabilmektedirler. Bu sebepten ötürü, manyetik fazda gerçekleşen azalma miktarı amin ve karboksil grubu ile işlevselleştirilmiş magnetit nanoparçacıkları için incelenmiştir. Sonuçlar gerçekten de toplam manyetik fazda bir azalma olduğunu göstermiş ve magnetit nanoparçacıklarının manyetik özelliklerinin optimize edilmesi için bu düşüşün dikkate alınması gerekliliğinin altını çizmiştir. Son olarak, süperparamagnetik magnetit nanoparçacıklarının eklenmesi sonucu suyun termal iletkenliğinin değişimi incelenmiştir. Literatüre göre çelişkili olan sonuçlar, suyun termal iletkenliğinin magnetit nanoparçacıklarının eklenmesi sonucu azaldığını ve bu azalmanın sentez yöntemi, sürfaktan çeşidi ve arayüzey termal rezistansı ile ilgili olmadığını göstermiştir.

Iron oxides are one of major classes of inorganic compounds widespread in nature and important for many disciplines. As a member, magnetite is one of the most studied naturally occurring mineral owing to its excellent magnetic and biocompatible properties. Magnetite nanoparticles are also suitable for several applications where their effective use depends on corresponding size, shape thus magnetic properties and stability of the particles. Although it is a challenge to take control over magnetite morphology without use of high temperatures and complicated synthesis pathways, the synthesis of magnetite nanoparticles through partial oxidation of ferrous hydroxide precursor at biomimetic conditions, i.e. at room temperature and in water, demonstrated the possibility of growth regulation as a result of interaction with a soluble poly(amino acid). As the stability of magnetite nanoparticles in aqueous medium is essential for several applications such as drug delivery, heat transfer and magnetic hyperthermia, the nanoparticles in the superparamagnetic and ferrimagnetic domains synthesized through co-precipitation and partial oxidation were functionalized with poly(ethylene imine)-graft-poly(oligo(ethylene glycol methyl ether) and poly(acrylic acid) respectively. The stability achieved in aqueous medium by using these polymers made the polymer-magnetite complexes suitable for various applications. As it is known from the literature, these nonmagnetic coatings may form a magnetically disordered layer on the nanoparticles which reduces the total amount of the magnetic phase. For this purpose, reduction of magnetic phase was studied for similar amine and carboxylic acid functionalized magnetite nanoparticles. Results indeed showed a reduction in the magnetic phase for both coatings which highlight again the necessity of considering this reduction for optimizing the magnetic properties of magnetite nanoparticles. Finally, the effect of superparamagnetic magnetite nanoparticles on the thermal conductivity of water was investigated. The contradictory results showed deteriorations in the thermal conductivity of water upon addition of magnetite nanoparticles which was independent of the synthesis method, the type of surfactant used and the interfacial thermal resistance.