Магнетит — минерал и одна из основных железных руд с химической формулой Fe 2+ Fe.3+2О 4 . Это один из оксидов железа , ферримагнитный ; [6] он притягивается к магниту и может намагничиться , чтобы сам стать постоянным магнитом. [7] [8] За исключением чрезвычайно редких месторождений самородного железа , это самый магнитный из всех природных минералов на Земле. [7] [9] Естественно намагниченные кусочки магнетита, называемые магнитом , притягивают небольшие кусочки железа, именно так древние народы впервые открыли свойство магнетизма. [10]
Магнетит черный или коричневато-черный с металлическим блеском, имеет твердость по шкале Мооса 5–6, оставляет черную полосу . [7] Мелкие зерна магнетита очень распространены в магматических и метаморфических породах . [11]
Химическое название IUPAC — оксид железа (II, III) , а общее химическое название — оксид железа-железа . [12]
Помимо магматических пород, магнетит также встречается в осадочных породах , включая образования полосчатого железа , а также в озерных и морских отложениях как в виде обломочных зерен, так и в виде магнитофоссилий . Считается также, что наночастицы магнетита образуются в почвах, где они, вероятно, быстро окисляются до маггемита . [13]
Химический состав магнетита Fe 2+ (Fe 3+ ) 2 (O 2- ) 4 . Это указывает на то, что магнетит содержит как двухвалентное ( двухвалентное ), так и трехвалентное ( трехвалентное ) железо, что позволяет предположить кристаллизацию в среде, содержащей промежуточные уровни кислорода. [14] [15] Основные детали его структуры были установлены в 1915 году. Это была одна из первых кристаллических структур, полученных с помощью дифракции рентгеновских лучей . Структура представляет собой обратную шпинель , в которой ионы O 2- образуют гранецентрированную кубическую решетку, а катионы железа занимают междоузельные позиции . Половина катионов Fe 3+ занимает тетраэдрические позиции, а другая половина, наряду с катионами Fe 2+ , — октаэдрические позиции. Элементарная ячейка состоит из тридцати двух ионов O 2- , длина элементарной ячейки a = 0,839 нм. [15] [16]
Являясь членом группы обратной шпинели, магнетит может образовывать твердые растворы с минералами аналогичного строения, включая ульвошпинель ( Fe 2 TiO 4 ) и магнезиоферрит ( MgFe 2 O 4 ). [17]
Титаномагнетит, также известный как титансодержащий магнетит, представляет собой твердый раствор магнетита и ульвошпинелида, который кристаллизуется во многих основных магматических породах. Титаномагнетит может подвергаться кислородному растворению во время охлаждения, что приводит к врастанию магнетита и ильменита. [17]
Природный и синтетический магнетит чаще всего встречается в виде октаэдрических кристаллов, ограниченных плоскостями {111}, и в виде ромбо-додекаэдров . [15] Двойникование происходит на плоскости {111}. [3]
Гидротермальный синтез обычно дает одиночные октаэдрические кристаллы, размер которых может достигать 10 мм (0,39 дюйма) в поперечнике. [15] В присутствии минерализаторов, таких как 0,1 М HI или 2 М NH 4 Cl , и при 0,207 МПа и 416–800 °С магнетит рос в виде кристаллов, форма которых представляла собой комбинацию форм ромбо-додехаэдров. [15] Кристаллы были более округлыми, чем обычно. Появление высших форм рассматривалось как результат уменьшения поверхностной энергии, вызванного меньшим отношением поверхности к объему в округлых кристаллах. [15]
Магнетит сыграл важную роль в понимании условий формирования горных пород. Магнетит реагирует с кислородом с образованием гематита , а минеральная пара образует буфер , который может контролировать степень окисления окружающей среды ( фугитивность кислорода ). Этот буфер известен как гематит-магнетитовый или HM-буфер. При более низких уровнях кислорода магнетит может образовывать буфер с кварцем и фаялитом, известный как буфер QFM. При еще более низких уровнях кислорода магнетит образует с вюститом буфер, известный как буфер MW. Буферы QFM и MW широко использовались в лабораторных экспериментах по химии горных пород. В частности, буфер QFM обеспечивает фугитивность кислорода, близкую к фугитивности большинства магматических пород. [18] [19]
Обычно магматические породы содержат твердые растворы как титаномагнетита, так и гемоильменита или титаногематита. Составы минеральных пар используются для расчета летучести кислорода: в магмах обнаруживается ряд окислительных условий, а степень окисления помогает определить, как магма может развиваться путем фракционной кристаллизации . [20] Магнетит также производится из перидотитов и дунитов путем серпентинизации . [21]
Магниты использовались как ранняя форма магнитного компаса . Магнетит был важнейшим инструментом в палеомагнетизме , науке, важной для понимания тектоники плит , а также в качестве исторических данных для магнитогидродинамики и других научных областей . [22]
Взаимоотношения между магнетитом и другими минералами оксида железа, такими как ильменит , гематит и ульвошпинель , хорошо изучены; реакции между этими минералами и кислородом влияют на то , как и когда магнетит сохраняет запись магнитного поля Земли . [23]
При низких температурах магнетит претерпевает фазовый переход кристаллической структуры от моноклинной структуры к кубической структуре, известный как переход Вервея . Оптические исследования показывают, что переход металла в изолятор резкий и происходит при температуре около 120 К. [24] Переход Вервея зависит от размера зерна, состояния домена, давления [25] и стехиометрии железа и кислорода . [26] Изотропная точка также возникает вблизи перехода Вервея около 130 К, в этой точке знак константы магнитокристаллической анизотропии меняется с положительного на отрицательный. [27] Температура Кюри магнетита составляет 580 ° C (853 K; 1076 ° F). [28]
Если магнетита имеется в достаточно большом количестве, его можно обнаружить при аэромагнитных исследованиях с использованием магнитометра , измеряющего напряженность магнитного поля. [29]
Твердые частицы магнетита плавятся при температуре около 1583–1597 ° C (2881–2907 ° F). [30] [31] : 794
Магнетит иногда в больших количествах встречается в пляжном песке. Такие черные пески (минеральные пески или железные пески ) встречаются в различных местах, например, в Лунг Ку Тан в Гонконге; Калифорния , США; и западное побережье Северного острова Новой Зеландии. [32] Магнетит, выветренный из скал, переносится реками на пляж и концентрируется под действием волн и течений. Огромные залежи были обнаружены в полосчатых железных образованиях. [33] [34] Эти осадочные породы были использованы для вывода об изменениях содержания кислорода в атмосфере Земли. [35]
Крупные месторождения магнетита обнаружены также в районе Атакама в Чили ( Чилийский железный пояс ); [36] регион Валентайн в Уругвае ; [37] Кируна , Швеция; [38] регион Таллаванг в Новом Южном Уэльсе; [39] и в горах Адирондак в Нью-Йорке в США. [40] Кедит-эдж-Джилл , самая высокая гора Мавритании , полностью сделана из минерала. [41] Месторождения также обнаружены в Норвегии , Румынии и Украине . [42] Богатые магнетитом песчаные дюны находятся на юге Перу. [43] В 2005 году геологоразведочная компания Cardero Resources обнаружила в Перу обширное месторождение песчаных дюн, содержащих магнетит . Поле дюн занимает площадь 250 квадратных километров (100 квадратных миль), причем самая высокая дюна находится на высоте более 2000 метров (6560 футов) над поверхностью пустыни. Песок содержит 10% магнетита. [44]
В достаточно больших количествах магнетит может повлиять на навигацию по компасу . На Тасмании есть много областей с сильно намагниченными камнями, которые могут сильно влиять на работу компаса. При использовании компаса на Тасмании требуются дополнительные шаги и повторные наблюдения, чтобы свести проблемы с навигацией к минимуму. [45]
Кристаллы магнетита кубической формы редки, но были найдены в Балмате, округ Св. Лаврентия, Нью-Йорк , [46] [47] и в Лонгбане, Швеция . [48] Эта привычка может быть результатом кристаллизации в присутствии катионов, таких как цинк. [49]
Магнетит также можно найти в окаменелостях в результате биоминерализации , и его называют магнитофоссилиями . [50] Есть также случаи магнетита космического происхождения, происходящего из метеоритов . [51]
Биомагнетизм обычно связан с наличием биогенных кристаллов магнетита, широко встречающихся в организмах. [52] Эти организмы варьируются от магнитотактических бактерий (например, Magnetospirillum Magneticotacticum ) до животных, включая человека, у которых кристаллы магнетита (и другие магниточувствительные соединения) обнаруживаются в различных органах, в зависимости от вида. [53] [54] Биомагнетиты объясняют воздействие слабых магнитных полей на биологические системы. [55] Существует также химическая основа клеточной чувствительности к электрическим и магнитным полям ( гальванотаксис ). [56]
Чистые частицы магнетита биоминерализуются в магнитосомах , которые производятся несколькими видами магнитотактических бактерий . Магнитосомы состоят из длинных цепочек ориентированных частиц магнетита, которые используются бактериями для навигации. После гибели этих бактерий частицы магнетита в магнитосомах могут сохраняться в осадках в виде магнитофоссилий. Некоторые виды анаэробных бактерий , не являющихся магнитотактическими, также могут создавать магнетит в бескислородных отложениях путем восстановления аморфного оксида железа до магнетита. [57]
Известно, что некоторые виды птиц имеют кристаллы магнетита в верхней части клюва для магниторецепции , [58] что (в сочетании с криптохромами в сетчатке ) дает им способность чувствовать направление, полярность и величину окружающего магнитного поля . [53] [59]
Хитоны , тип моллюсков, имеют языкообразную структуру, известную как радула , покрытую зубами, покрытыми магнетитом, или зубчиками . [60] Твердость магнетита помогает расщеплять пищу.
Биологический магнетит может хранить информацию о магнитных полях, воздействию которых подвергся организм, что потенциально позволит ученым узнать о миграции организма или об изменениях магнитного поля Земли с течением времени. [61]
Живые организмы могут производить магнетит. [54] У людей магнетит можно обнаружить в различных частях мозга, включая лобную , теменную , затылочную и височную доли , ствол мозга , мозжечок и базальные ганглии . [54] [62] Железо встречается в мозге в трех формах: магнетит, гемоглобин (кровь) и ферритин (белок), а области мозга, связанные с двигательной функцией, обычно содержат больше железа. [62] [63] Магнетит можно найти в гиппокампе . Гиппокамп связан с обработкой информации, в частности с обучением и памятью. [62] Однако магнетит может оказывать токсическое воздействие из-за своего заряда или магнитной природы, а также его участия в окислительном стрессе или образовании свободных радикалов . [64] Исследования показывают, что бета-амилоидные бляшки и тау-белки, связанные с нейродегенеративными заболеваниями, часто возникают после окислительного стресса и накопления железа. [62]
Некоторые исследователи также предполагают, что люди обладают магнитным чутьем, [65] предполагая, что это может позволить некоторым людям использовать магниторецепцию для навигации. [66] Роль магнетита в мозге до сих пор не совсем понятна, и наблюдается общее отставание в применении более современных междисциплинарных методов к изучению биомагнетизма. [67]
Сканирование образцов тканей головного мозга человека с помощью электронного микроскопа позволяет отличить магнетит, вырабатываемый собственными клетками организма, от магнетита, поглощенного из загрязнений воздуха, при этом естественные формы имеют зубчатую и кристаллическую форму, тогда как загрязнение магнетита происходит в виде округлых наночастиц . Потенциально опасный для здоровья человека магнетит, переносимый по воздуху, является результатом загрязнения (в частности, сгорания). Эти наночастицы могут попадать в мозг через обонятельный нерв, увеличивая концентрацию магнетита в мозге. [62] [64] В некоторых образцах мозга загрязнение наночастицами превышает количество естественных частиц в соотношении 100:1, и такие частицы магнетита, попавшие в загрязнение, могут быть связаны с аномальным повреждением нервной системы. В одном исследовании характерные наночастицы были обнаружены в мозгу 37 человек: 29 из них в возрасте от 3 до 85 лет жили и умерли в Мехико, горячей точке значительного загрязнения воздуха. Некоторые из остальных восьми человек в возрасте от 62 до 92 лет из Манчестера, Англия, умерли от нейродегенеративных заболеваний различной степени тяжести. [68] Такие частицы предположительно могут способствовать развитию таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера . [69] Хотя причинно-следственная связь еще не установлена, лабораторные исследования показывают, что оксиды железа, такие как магнетит, являются компонентом белковых бляшек в мозге. Такие бляшки связаны с болезнью Альцгеймера . [70]
Повышенный уровень железа, особенно магнитного железа, был обнаружен в частях мозга у пациентов с болезнью Альцгеймера. [71] Мониторинг изменений концентрации железа может позволить обнаружить потерю нейронов и развитие нейродегенеративных заболеваний до появления симптомов [63] [71] благодаря взаимосвязи между магнетитом и ферритином . [62] В тканях магнетит и ферритин могут создавать небольшие магнитные поля, которые будут взаимодействовать с магнитно-резонансной томографией (МРТ), создавая контраст. [71] У пациентов Хантингтона не наблюдалось повышенного уровня магнетита; однако высокие уровни были обнаружены у исследуемых мышей. [62]
Из-за высокого содержания железа магнетит уже давно стал основной железной рудой . [72] В доменных печах его восстанавливают до чугуна или губчатого железа для переработки в сталь . [73]
Аудиозапись с использованием магнитно-ацетатной ленты была разработана в 1930-х годах. В немецком магнитофоне сначала использовался порошок магнетита, который BASF наносил на ацетат целлюлозы, а затем вскоре перешел на гамма-оксид железа из-за его превосходной морфологии. [74] После Второй мировой войны компания 3M продолжила работу над немецким дизайном. В 1946 году исследователи 3M обнаружили, что они могут также улучшить свою собственную бумажную ленту на основе магнетита, в которой использовались порошки кубических кристаллов, заменив магнетит игольчатыми частицами гамма-оксида железа (γ-Fe 2 O 3 ). [74]
Примерно 2–3% мирового энергетического бюджета выделяется на процесс Габера для фиксации азота, который основан на катализаторах на основе магнетита. Промышленный катализатор получают из тонкоизмельченного порошка железа, который обычно получают восстановлением магнетита высокой чистоты. Измельченное металлическое железо сжигается (окисляется) с образованием магнетита или вюстита определенного размера частиц. Частицы магнетита (или вюстита) затем частично восстанавливаются, удаляя при этом часть кислорода . Полученные частицы катализатора состоят из ядра из магнетита, заключенного в оболочку из вюстита, которая, в свою очередь, окружена внешней оболочкой из металлического железа. Катализатор сохраняет большую часть своего объемного объема во время восстановления, в результате чего образуется высокопористый материал с большой площадью поверхности, что повышает его эффективность в качестве катализатора. [75] [76]
Микро- и наночастицы магнетита используются в самых разных областях: от биомедицинских до экологических. Одно из применений — очистка воды: при высокоградиентной магнитной сепарации наночастицы магнетита, введенные в загрязненную воду, связываются с взвешенными частицами (например, твердыми частицами, бактериями или планктоном) и оседают на дно жидкости, позволяя загрязняющим веществам очищаться. удалены, а частицы магнетита подлежат переработке и повторному использованию. [77] Этот метод работает также с радиоактивными и канцерогенными частицами, что делает его важным инструментом очистки в случае попадания тяжелых металлов в водные системы. [78]
Другое применение магнитных наночастиц — создание феррожидкостей . Они используются несколькими способами. Феррожидкости можно использовать для адресной доставки лекарств в организм человека. [77] Намагничивание частиц, связанных с молекулами лекарства, позволяет «магнитным перетаскиванием» раствора к нужному участку тела. Это позволило бы лечить только небольшую часть тела, а не тело в целом, и могло бы быть очень полезным, среди прочего, при лечении рака. Феррожидкости также используются в технологии магнитно-резонансной томографии (МРТ). [79]
Для отделения угля от отходов использовались ванны с плотной средой. В этом методе использовалась разница плотностей угля (1,3–1,4 тонны на м 3 ) и сланца (2,2–2,4 тонны на м 3 ). В среде средней плотности (вода с магнетитом) тонули камни и плавал уголь. [80]
Магнетен представляет собой двумерный плоский лист магнетита, известный своими свойствами сверхнизкого трения. [81]
Птицы могут использовать геомагнитное поле для ориентации по компасу.
Поведенческие эксперименты, в основном с мигрирующими воробьиными, выявили три характеристики птичьего магнитного компаса: (1) он работает спонтанно только в узком функциональном окне интенсивности окружающего магнитного поля, но может адаптироваться к другим интенсивностям, (2) он «Компас наклонения», основанный не на полярности магнитного поля, а на осевом ходе силовых линий, и (3) он требует коротковолнового света от УФ до 565 нм зеленого цвета.
Используя сверхчувствительный сверхпроводящий магнитометр в чистой лабораторной среде, мы обнаружили присутствие ферромагнитного материала в различных тканях человеческого мозга.
Простой расчет показывает, что магнитосомы, движущиеся в ответ на СНЧ-поля земной силы, способны открывать трансмембранные ионные каналы способом, аналогичным тем, которые предсказываются моделями ионного резонанса.
Таким образом, наличие следовых уровней биогенного магнетита практически во всех исследованных тканях человека позволяет предположить, что сходные биофизические процессы могут объяснить множество биоэффектов слабого поля ELF.
В совокупности эти данные позволяют предположить ранее неизвестный двухмолекулярный механизм чувствительности, в котором KCNJ15/Kir4.2 соединяется с полиаминами при чувствительности к слабым электрическим полям.
Есть веские основания полагать, что этот зрительный магниторецептор обрабатывает магнитную информацию компаса, необходимую для миграционной ориентации.
Рентгенограммы показывают, что зрелые зубцы трех современных видов хитонов состоят из минерала лепидокрокита и минерала апатита, вероятно, франколита, помимо магнетита.