Magnetiit

Magnetiit
Omadused
Keemiline valem	Fe3O4
Mineraaliklass	oksiidid
Molekulmass	231,54
Värvus	hallikasmust
Tihedus	5,1–5,2 g/cm³
Kõvadus	5,5–6
Lõhenevus	puudub
Süngoonia	kuubiline
Punktigrupp	kuubiline heksoktaeedriline
Kriips	must
Läige	metalne

Magnetiit ehk must rauamaak ehk magnetrauamaak on rauda sisaldav oksiidne maakmineraal.

Magnetiit on tavaline aktsessoorne mineraal paljudes kivimites. Magnetiit on üks peamisi rauamaake. Iseloomulikuks tunnuseks on ferrimagnetilisus. Magnetiit on looduses esinevatest mineraalidest kõige magnetilisem. Looduslikult magneetunud magnetiidi tükke või nõelu kasutati esimeste kompassidena. Esimesed magnetlindid ja trafode südamikud valmistati peamiselt magnetiidist.^[1] Tänapäeval kaevandatakse magnetiiti rauamaagina. Teadlased uurivad, kuidas magnetiiti saab kasutada nanoravimites ja spintroonikas.

Tahked lahused

Magnetiit saab moodustada tahkeid lahuseid teiste sarnaste spinell rühma kuuluvate mineraalidega nagu näiteks ulvospinell (Fe₂TiO₄), hertsüniit (FeAl₂O₄) ja kromiit (FeCr₂O₄). Magnetiidi ja ulvospinelli tahket lahust nimetatakse titanomagnetiidiks.^[2]

Kristallstruktuur

Magnetiidil on toatemperatuuril kuubiline pööratud spinelli kristallstruktuur, kus hapniku ioonid moodustavad tihepakendatud kuubilise võre, mille tühimikes on raua ioonid. Tühimikud on tetraeedrilise ja oktaeedrilise kujuga. Stöhhiomeetrilises magnetiidi (Fe₃O₄) monokristallis on oktaeedriliste tühimike asustatus kaks korda suurem kui tetraeedriliste tühimike oma. Tetraeedrilised A-asendid (ümbritsetud 4 hapniku aatomiga) on täidetud Fe³ ioonidega, oktaeedrilistes B-asendites (ümbritsetud 6 hapniku aatomiga) on nii Fe² kui ka Fe³ ioonid. A- ja B-asendites olevate raua ioonide summaarsed spinnid on vastassuunalised. Kuna summaarne spinn on Fe² (S=2) ja Fe³ (S=5/2) ioonidel erinev, siis on vastassuunalised koguspinnid materjali sees erineva tugevusega. Sellest tulenevalt on magnetiit ferrimagneetik.^[3]

Maakide esinemine

Enamus kivimeid sisaldavad mingil määral magnetilisi mineraale, nagu hematiit ja magnetiit. Magnetiit võib tekkida tardkivimina, hüdrotermiliselt, moondekivimina ja settekivimina. Peened magnetiidi tükid käituvad nagu väiksed magnetid. Laava jahtumisel või kivimite settimisel orienteeruvad need maa magnetvälja suunaliselt. Selle järgi on võimalik kindlaks määrata maa magnetvälja polaarsust minevikus.^[2]

Kristallide leiukohad

Peentest kuni 170 mm suuruseni magnetiidikristalle on leitud Traverselast Itaaliast. 25 cm suurune magnetiidikristall leiti Vastanforsist Rootsis. Peenetest kuni 40 mm suuruseni magnetiidikristalle on leitud Dashkesanist Aserbaidžaanis. Kuni 40 mm suurusi läikivaid oktaeederikujulisi magnetiidikristalle on leitud Alpa Lercheltinist Binntalis Šveitsis. Haruldasi kuni 20 mm kuubikujulisi magnetiidikristalle on leitud ZCA Nr 4 kaevandusest Balmatis New Yorgi osariigis USA-s. Kuni 10 cm magnetiidikristalle on leitud Jahuaracust Minas Geraisis Brasiilias. Kuni 20 cm suurusi magnetiidikristalle on leitud Gardineri kompleksist Gröoonimal. Kuni 50 mm läbimõõduga magnetiidikristalle leiti Kovdorist Kola poolsaarel Venemaal.^[4]

Maakide leiukohad

Osades piirkondades sisaldab rannaliiv suures koguses magnetiiti, nagu Californias ja Uus-Meremaa Põhjasaare läänerannikul. Magnetiit kandub erosooni tõttu jõgedest randa ning lainete ja hoovuste tõttu kontsentreerub see rannaliivas.^[5]

Suuri magnetiidivarusid on leitud Atcama regioonist Tšiilis, Valentiini piirkonnast Uruguays, Kirunast Rootsis, Pilbaras, Lääne-Austraaliast, Uus Lõuna Wales Tallawangi piirkonnast ja Adirondacki piirkonnast New Yorgi osariigis USAs. Kediet ej Jill mägi Mauritaanias koosneb pea täielikult magnetiidist. Varusid on leitud ka Norrast, Saksamaalt, Itaaliast, Šveitsist, Lõuna-Aafrikast, Indiast, Indoneesiast, Mehhikost ja Oregonist ning New Jersey, Pennsylvania, Põhja-Carolina, Lääne-Virginia, Virginia, New Mexico, Utah' ja Colorado osariigist Ameerika Ühendriikides. 2005. aastal avastati Peruu kõrbest suurel hulgal magnetiiti sisaldavad liivaluited. Luited katavad 250 ruutkilomeetrist ala ja kõrgeim luide on 2000 meetrit kõrgem kõrbe pinnast. Sealne liiv sisaldab 10% magnetiiti.^[6]

Bioloogiline esinemine

Biomagnetism on enamasti seotud bioloogilist päritolu magnetiidiga organismides. Sellise mehhanismiga magnettaju esineb väga erinevatel organismidel alates bakteritest kuni suuremate selgroogseteni. Mikroorganismides aitab magnettaju vältida juhuslikku ekslemist, mis tuleneb Browni liikumisest, kuna magnetilise orientatsiooni energia on üldjuhul suurusjärgu võrra suurem kui soojusliikumise tausta energia. Magnetvälja järgi orienteerumine võimaldab neil leida metabolismi jaoks sobiliku hapniku gradiendi muda või vee piirpinnal. Kõik magnetväljale tundlikud mikroobid sisaldavad rakusiseseid korrapäraseid ahelaid, mis koosnevad ühedomeenilistest magnetiidi või greigiidi (Fe₃S₄) nanokristallidest. Nende ahelate magnetmoment on küllalt suur, et tervet rakku maa magnetvälja suunas pöörata. Ahelate magnetmomendile vastassuunas tugeva magnetvälja pulsi rakendamine (ümbermagneetimine) muudab põhja poole liikuvad baketrid lõuna poole liikuvateks. Sarnased tulemused on ka mesilaste ja lindude käitumise muutumusel pärast pulssümbermagneetimist.^[7]

Inimaju

1992. aastal tehti kindlaks, et inimaju sisaldab vähemalt 5 miljonit ühedomeenilist biokeemilist päritolu magnetiidi-maghemiidi kristallstruktuuriga kristalli ühe grammi koe kohta. Aju pehmekestas ja kõvakestas on see sisaldus üle 100 miljonit kristalli grammi kohta. Kristallide morfoloogia ja struktuur on väga sarnane magnettajuga bakterite või kaladest leitud magnetiidiga.^[8]

Süntees

Farmaatsias ja biomeditsiinis kasutamiseks on vaja, et magnetmaterjalid oleksid väga väiksed (nanomõõtmetes), kitsa suurusjaotusega, suure magnetilise läbitavusega ja väikse jääkmagneetuvusega.

Füüsikalised meetodid

Kasutatakse füüsikalist sadestamist aurufaasist ja elektronkiirlitograafiat. Nende meetoditega on aga raske kontrollida tekkinud osakeste suurust nanomeetrite skaalas.^[9]

Keemilised meetodid

Kasutatakse keemilisi meetodeid nagu sool-geel-süntees, oksüdeerimise meetod, keemiline kaasasadestumine, hüdrotermilised reaktsioonid, keemiline sadestamine aurufaasist, sonokeemiline lagunemisreaktsioon, ülekriitilise vedeliku meetod, aatomkihtsadestamine ja süntees nanoreaktoritega.^[9]

Mikroobsed meetodid

Mikroobsed meetodid on tavaliselt lihtsad, paindlikud ja võimaldavad piisavat kontrolli nanoosakeste koostise ja geomeetria üle. Kasutatakse baktereid nagu Thermoanaerobacter ethanolicus tüvi TOR 39 ja Shewanella loihica tüvi PV-4 anaeroobses keskkonnas.^[9]

Rakendused

Suure rauasisalduse tõttu on magnetiit olnud pikka aega kasutusel rauamaagina.^[10]

Meditsiin

Magnetiit ja maghemiit pakuvad nanoravimite väljatöötamise seisukohalt huvi oma magnetiliste omaduste ning biosobivuse ja biolagunevuse tõttu. Nanoravimite eesmärk on reguleerida toimeaine eraldumise kiirust ja suunata see kehas vajalikku kohta, mis vähendaks oluliselt kõrvaltoimeid, suurendaks efektiivsust ja võimaldaks kasutada väiksemaid doose. Magnetiidi lisamine nanoravimitele võimaldaks neid välise magnetvälja mõjul õigesse kohta kontsentreerida.^[9]

Spintroonika

Magnetiidi monokristalli – Fe₃O₄(111) ja Fe₃O₄(001) pinnal tekib spinnpolarisatsioon. See võimaldab magnetiiti kasutada spintroonikas, näiteks magnetilise tunnelsiirde loomiseks. Võrreldes teiste uuritavate materjalidega on magnetiidi eeliseks kõrge Curie punkt ja eeldatav poolmetalliline ferromagnetism. Fe₃O₄ kasutamine võimaldaks mööda pääseda kahe materjali piirpinnal tekkivate dipoolide probleemist, mis tekivad manganiidipõhistel seadmetel.^[11]

Magnetsalvestus

Helisalvestuseks kasutatavad atsetaattselluloos-magnetlindid töötati välja 1930. aastatel. Saksamaal AEG poolt välja töötatud magnetofon kasutas lindile kantud magnetiidi pulbrit salvestuskeskkonnana. Pärast teist maailmasõda arendas firma 3M-tehnoloogiat edasi ja asendas kuubiliste kristallidega magnetiidipulbri nõelakujuliste osakestega gammaraudoksiidi (γ-Fe₂O₃, maghemiit) pulbri vastu.^[12]

Katalüsaator

Magnetiiti kasutatakse katalüsaatorina tööstuslikul ammoniaagitootmisel.^[13]

Viited

↑ Hurlbut, Cornelius Searle; W. Edwin Sharp; Edward Salisbury Dana (1998). Dana's minerals and how to study them. John Wiley and Sons. Lk 96. ISBN 0-471-15677-9.
↑ ^2,0 ^2,1 L Robin M Cocks; Ian R Plimer (2005). Encyclopedia of Geology. Elsevier. Lk 149, 332. ISBN 0-12-636380-3. {{cite book}}: |first= nõuab parameetrit |last= (juhend)
↑ "Static and dynamic magnetic properties of spherical magnetite nanoparticles."G. F. Goya, T. S. Berquo and F. C. Fonseca. Journal of Applied Physic 94. 3520 (2003). doi: 10.1063/1.1599959
↑ Milan Novak (2002). The Complete Encyclopedia of Minerals. Book Sales. Lk 77. ISBN 978-0785815204. {{cite book}}: |first= nõuab parameetrit |last= (juhend)
↑ Templeton, Fleur. "1. Iron – an abundant resource – Iron and steel". Te Ara Encyclopedia of New Zealand. Vaadatud 6. detsembril 2016.
↑ Ferrous Nonsnotus
↑ Kirschvink, J L; Walker, M M; Diebel, C E (2001). "Magnetite-based magnetoreception". Current Opinion in Neurobiology. 11 (4): 462–7. DOI:10.1016/s0959-4388(00)00235-x. PMID 11502393.
↑ Kirschvink, J L; Kobayashi-Kirschvink, A; Woodford, B J (15. august 1992). Magnetite biomineralization in the human brain. National Academy of Sciences of the United States of America. Kd 89(16). Lk 7683–7687. PMC49775.
↑ ^9,0 ^9,1 ^9,2 ^9,3 Harivardhan Reddy, L.; José L., Arias; Nicolas, Julien (9. oktoober 2012). "Magnetic Nanoparticles: Design and Characterization, Toxicity and Biocompatibility, Pharmaceutical and Biomedical Applications". Chemical Reviews. 112 (11): 5818–5878. DOI:10.1021/cr300068p.
↑ Franz Oeters et al"Iron" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2006, Wiley-VCH, Weinheim.
↑ Pratt, A; Kurahashi, M; Sun, X (25. mai 2010). "Direct observation of a positive spin polarization at the (111) surface of magnetite". Physical Review B. 85 (18): 180409. DOI:10.1103/PhysRevB.85.180409.
↑ Schoenherr, Steven, 2002, The History of Magnetic Recording, Audio Engineering Society
↑ Max Appl "Ammonia, 2. Production Processes" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2011, Wiley-VCH.

Välislingid

[Dana-1] Hurlbut, Cornelius Searle; W. Edwin Sharp; Edward Salisbury Dana (1998). Dana's minerals and how to study them. John Wiley and Sons. Lk 96. ISBN 0-471-15677-9.

[Selley-2] 2,0 ^2,1 L Robin M Cocks; Ian R Plimer (2005). Encyclopedia of Geology. Elsevier. Lk 149, 332. ISBN 0-12-636380-3. {{cite book}}: |first= nõuab parameetrit |last= (juhend)

[1WJ7G-3] "Static and dynamic magnetic properties of spherical magnetite nanoparticles."G. F. Goya, T. S. Berquo and F. C. Fonseca. Journal of Applied Physic 94. 3520 (2003). doi: 10.1063/1.1599959

[Korbel-4] Milan Novak (2002). The Complete Encyclopedia of Minerals. Book Sales. Lk 77. ISBN 978-0785815204. {{cite book}}: |first= nõuab parameetrit |last= (juhend)

[brt6g-5] Templeton, Fleur. "1. Iron – an abundant resource – Iron and steel". Te Ara Encyclopedia of New Zealand. Vaadatud 6. detsembril 2016.

[Mfoqc-6] Ferrous Nonsnotus

[Magnetite-based_magnetoreception-7] Kirschvink, J L; Walker, M M; Diebel, C E (2001). "Magnetite-based magnetoreception". Current Opinion in Neurobiology. 11 (4): 462–7. DOI:10.1016/s0959-4388(00)00235-x. PMID 11502393.

[human_brain_biomineralization-8] Kirschvink, J L; Kobayashi-Kirschvink, A; Woodford, B J (15. august 1992). Magnetite biomineralization in the human brain. National Academy of Sciences of the United States of America. Kd 89(16). Lk 7683–7687. PMC49775.

[Nanomeditsiin-9] 9,0 ^9,1 ^9,2 ^9,3 Harivardhan Reddy, L.; José L., Arias; Nicolas, Julien (9. oktoober 2012). "Magnetic Nanoparticles: Design and Characterization, Toxicity and Biocompatibility, Pharmaceutical and Biomedical Applications". Chemical Reviews. 112 (11): 5818–5878. DOI:10.1021/cr300068p.

[zEBea-10] Franz Oeters et al"Iron" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2006, Wiley-VCH, Weinheim.

[Pratt-11] Pratt, A; Kurahashi, M; Sun, X (25. mai 2010). "Direct observation of a positive spin polarization at the (111) surface of magnetite". Physical Review B. 85 (18): 180409. DOI:10.1103/PhysRevB.85.180409.

[Schoenherr-12] Schoenherr, Steven, 2002, The History of Magnetic Recording, Audio Engineering Society

[BbvUU-13] Max Appl "Ammonia, 2. Production Processes" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2011, Wiley-VCH.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]