Oxid železitý, Fe2O3

Oxid železitý je látka s výrazně polymorfním charakterem, tj. krystalizuje v několika různých modifikacích:

  • alfa je nejčastější fází, vyskytuje se i v přírodě jako minerál hematit, má romboedrickou strukturu, při nízkých teplotách vykazuje antiferomagnetické uspořádání, které se při vyšších teplotách narušuje a oxid se stává feromagnetikem. Jeho magnetické vlastnosti jsou silně závislé na okolních podmínkách (tlak, vnější magnetické pole, velikost částic). Tuto fázi oxidu železitého lze snadno připravit, vzniká jako konečný produkt mnoha tepelných rozkladů i mokrou cestou.
  • beta je pouze syntetická fáze, krystalizující v prostorově centrované kubické mříži, je metastabilní, při teplotách nad 500 °C přechází ve fázi alfa. Tato fáze se vytváří při některých málo procesech, např. redukci hematitu uhlíkem, pyrolýzou roztoku FeCl3 nebo termickým rozkladem Fe2(SO4)3. Uměle se (v čistém stavu) vyrábí buďto metodou chemické depozice ve formě tenké vrstvy nebo izolací z reakční směsi termicky indukované reakce v pevné fázi mezi NaCl a Fe2(SO4)3.
  • gama je fází vyskytující se v přírodě jako minerál maghemit, má kubickou symetrii, je ferimagnetický, tepelně nestabilní (mění se na alfa), ultrajemné částice (pod 10 nm) vykazují superparamagnetismus. Synteticky lze fázi připravit teplotní dehydratací gama-FeO(OH), opatrnou oxidací Fe3O4, superparamagnetické částice lze připravit teplotní transformací šťavelanu železitého.
  • epsilon fáze má kosočtverečnou strukturu, vykazuje mnoho vlastností přechodných mezi alfa a gama, pro přechodnost svědčí také to, že se dosud nepodařilo ji připravit v čistém stavu, vždy je ve směsi s alfa a/nebo gama fází, navíc vysoký podíl fáze epsilon lze dostat tepelnou transformací ultrajemných částic gama. Fáze se transformuje na hematit při teplotách 500 až 750 °C, velikost částic bývá 30 až 80 nm. Krom transformace gama fáze lze získat epsilon také oxidací atomárního železa v elektrickém oblouku nebo sol-gel metodou s dusičnanem železitým.

Oxid železitý byl také identifikován v několika dalších fázích, např. fázi beta (různé od předešlé bety) vzniklé termickým rozkladem beta-FeO(OH) při 170 °C, vysokotlaké nebo amorfní (vytváří velmi malé částice - pod 5 nm).

Využití Fe2O3

Jelikož nanočástice oxidů železa vykazují biokompatibilitu, netoxičnost, vysokou hodnotu saturační magnetizace a chemicky aktivní povrch (tj. lehce se na jejich povrch vážou různé sloučeniny), jsou hojně využívány v bioaplikacích, v biomedicíně, ale také v průmyslových oblastech (např. záznamová média, plynové senzory, chemická katalýza). Jako další zajímavé aplikace lze kupříkladu uvést:

  1. výrobu barevných obrazovek - oxid se samozřejmě nedá použít jako svítící luminofor, ale jeho červenou barvu alfa fáze lze využít i zde. Pro obraz (jeho jas) totiž není důležitá pouze kvalita luminoforu, ale i vliv denního světla, které se od obrazovky odráží. Především jde o to, aby se od červeného luminoforu odráželo pouze světlo červené barvy a zároveň nebylo příliš tlumeno vycházející světlo. Vylepšení jasu lze dosáhnout pokrytím částic luminoforu nanočásticemi Fe2O3.
  2. kontrastní činidlo v nukleární magnetické resonanci (principiálně zkracují jak podélný tak příčný měřící čas vedoucí k zlepšení získaného obrazu a k lepšímu rozlišení postižené a zdravé tkáně).
  3. magnetické tekutiny skládající se z magnetických nanočástic suspendovaných ve vodě nebo v jiných roztocích pro využití v bioaplikacích.
  4. značení postižených tkání v živém organismu a jejich následná extrakce z organismu pomocí vnějšího magnetického pole (tj. magnetická separace zdravých a nádorových tkání).
  5. magneticky kontrolovaný přenos léčivých látek, navázaných na povrchu nanočástic, do míst zasažených nádorem, kde je následně nesená léčivá látka uvolněna.
  6. hypertermie při léčení rakoviny. Magnetické částice jsou zavedeny do krve a magnetickým polem jsou navedeny do oblasti, která je rakovinou postižena. Tyto částice jsou posléze vystaveny působení střídavého vnějšího magnetického pole, které zapříčiňuje jejich neustálou remagnetizaci, při níž se uvolňuje teplo v důsledku hysterezních ztrát. Teplota okolí nanočástice se tak zvětšuje, což vede k nekróze rakovinových buněk při určité teplotě (obvykle 42 °C).
  7. spojování tkání pomocí tepla majícího původ hysterezních ztrát nanočástic při jejich stálé remagnetizaci.