گرافن - جلسه ششم

اهداف جلسه:
· آشنایی با سنتزگرافن اکسید مغناطیسی
·آشنایی با نانو ذرات

وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
· پودر آهن کلرید 2 و3
·اکسید گرافن
·دستگاه اولتراسونیک
·آمونیاک
· بالن ژوژه 250 سی سی

 مقدمه:
در این جلسه ابتدا با نانوذرات مغناطیسی آشنا می شویم. سپس گرافن اکسید مغناطیسی را که نوعی نانو ذره مغناطیسی است سنتز می کنیم.
 
نانوذرات مغناطیسی
واژه­ی مغناطیس کلمه‌ای یونانی است که به بعضی از سنگ‌های طبیعی اکسید آهن اطلاق می‌شود. این سنگ‌ها از این خاصیت برخوردارند که بر یکدیگر و بر ذرات آهن یا فولاد نیرو وارد می‌آورند. یونانیان باستان، بیش از 2500 سال پیش با پدیده‌ی آهنربایی آشنا بودند. تالس[1] که اغلب از او به عنوان پدر علم یونان یاد می‌شود، ماده‌ی کانی مگنتیت (Fe3O4) که آهن را به خود جذب می­ نماید، می‌شناخت.
خواص مغناطیسی مواد نتیجه ممان‌‌های مغناطیسی حاصل از الکترون‌هاست. هرالکترون در یک اتم دارای ممان مغناطیسی است، که از دو منبع ایجاد می‌شود: یکی مربوط به حرکت اوربیتالی الکترون حول هسته است و دیگری ناشی از چرخش الکترون به دور محور خودش که حرکت اسپینی نامیده می‌شود. بنابراین، هر الکترون در یک اتم با ممان‌های اوربیتالی و اسپینی می‌تواند به طور دائم مانند آهنربایی کوچک عمل نماید.
همه‌ی مواد در مقیاس نانو، خواصی متفاوت از خود بروز می‌دهند. مواد مغناطیسی نیز از این قاعده مستثنی نیستند. در واقع؛ خاصیت مغناطیسی از جمله خواصی است که به مقدار بسیار زیادی به اندازه‌ی ذره وابسته است. هر ماده‌ی مغناطیس در حالت توده، از حوزه‌های مغناطیسی تشکیل شده است. هر حوزه حاوی هزاران اتم است که در آن جهت چرخش الکترون‌ها یکسان و ممان‌های مغناطیسی آنها به صورت موازی جهت یافته‌اند. اما جهت چرخش الکترون ِ هر حوزه با حوزه‌های دیگر متفاوت است. هرگاه، یک میدان مغناطیسی بزرگ، تمام حوزه‌های مغناطیسی را هم‌جهت کند، تغییر فاز مغناطیسی رخ داده و مغناطیس شدن به حد اشباع می‌رسد.
هر چه تعداد حوزه‌ها کم‌تر باشد، نیرو و میدان کمتری نیز برای هم‌جهت ساختن حوزه‌ها مورد نیاز است. چنانچه ماده‌ای تنها دارای یک حوزه باشد، بنابراین نیازی به هم‌جهت کردن آن با دیگر حوزه‌ها نخواهد بود. از آنجا که قطر این حوزه‌ها در محدوده یک تا چند هزار نانومتر است، هر ذره‌ای که تنها شامل یک حوزه باشد، می‌تواند نانوذره به شمار رود. نانوذرات[2] مغناطیسی دارای تعداد حوزه‌های کمی هستند. از طرف دیگر، بر اساس قانون دوم ترمودینامیک «بی نظمی در یک سیستم منزوی، در یک فرآیند خودبخودی، افزایش می‌یابد.» بنابراین، موادی که از حالت طبیعی خارج می‌شوند، تمایل شدیدی برای برگشت به وضعیت طبیعی خود را دارند اما چون نانوذرات مغناطیسی نیاز به نیروی زیادی برای مغناطیسی شدن ندارند، خیلی از حالت طبیعی فاصله نمی‌گیرند و پس از مغناطیس شدن تمایل چندانی برای از دست دادن خاصیت مغناطیسی و بازگشت به وضعیت اولیه را ندارند.

                                                                         جداسازی با استفاده از جاذبه مغناطیسی

نانوذرات مغناطیسی که بخش بزرگی از نانومواد را به خود اختصاص می دهند پتانسیل انقلاب در بخش تشخیص و درمان های کلینیکی به سبب خواص منحصر به فرد از جمله مومنتوم تشدید شده مغناطیسی و سوپر پارا مغناطیسی و قدرت برهم کنش های زیستی درسطوح سلولی و ملکولی را دارا می باشند
استفاده پزشکی از پودرهای مغناطیسی به دوران یونان باستان و روم برمی گردد، ولی به شکل اصولی و تحقیقاتی از سال ١٩٧٠ در علوم بیولوژی و پزشکی استفاده شد وپیش بینی می شود این ذرات در آینده نقش چشمگیری در رفع احتیاجات حیطه سلامت بشریت خواهند داشت. نانو ذرات با تکیه بر فناو ری نانو محدوده گسترده ای از کاربردهای تشخیصی و درمانی در بیماری هایی از جمله سرطان،بیماری های قلبی و عصبی را تسهیل کرده اند[3]. نانوذرات مغناطیسی به فراوانی در تحویل هدفمند عوامل درمانی استفاده می شود وبر اساس هدف یابی دارویی مغناطیسی که شامل تمایل قوی بین لیگاند و گیرنده می باشدیا ازطریق جذب مغناطیسی بافت خاص عمل می کنند. به سبب امکان کنترل از راه دورعوامل درمانی در انتقال ذرات به بافت مورد نظر بسیار قابل توجه هستند، وبه همین سبب آنها را حامل های هدفمند مغناطیسی می نامند.
 خواص منحصر به فرد این نوع از نانوذرات شامل سوپر پارامغناطیسی، فوق اشباعیت و پذیرفتاری مغناطیسی می باشد که از خصوصیات مغناطیسی ذاتی آنها منشا می گیرد. از سویی دیگر با استفاده از پوشش های سطحی مختلف می توان خواص زیست - پزشکی مطلوب و پایداری را برای این ذرات ایجاد کرد و از اثرات پارتیکوکنتیک و سمیت نانوذرات مغناطیسی ناشی از برهم کنش های آنها با سلول یا پروتئین های بیولوژیکی ممانعت کرد که منجر به افزایش زیست سازگاری نانوذرات مغناطیسی می شود

از کاربردهای نانوذرات مغناطیسی در پزشکی می توان به موارد زیر اشاره کرد :
• انتقال هدفمند ترکیب مورد نظر از جمله ژن، دارو، سلول بنیادی، پروتئین و آنتی بادی به بافت وسلول هدف
• تصویر برداری بر پایه رزونانس مغناطیسی
• درمان سرطان با روش هایپرترمی
• جداسازی سلول ها و ماکروملکول ها و تخلیص سلولی
• -کاربرد در زیست حسگرها
• امکان ردیابی ذرات در شرایط برون تن ودرون تن از طریق تصویربرداری تشدید مغناطیسی 
• آزمایش های ایمونوسیتو شیمیایی 
ذرات مغناطیسی 
ذرات مغناطیسی مواد فاز جامد پاسخ دهنده به مغناطیس هستند که می توانند به شکل نانوذره منفرد یا تجمعی از ذرات میکرو و نانو باشند. هر کدام از انواع نانوذرات در زمینه خاصی استفاده می شوند. ترکیب، سایز و مسیر سنتز نانوذرات مغناطیسی با توجه به نوع کاربری آنها متفاوت است اما ذرات سوپر پارامغناطیس، فرو و فری برای انواع کاربردهای دارورسانی قابل استفاده هستند. اینگونه مواد به دلیل گشتاور مغناطیسی واحد شبکه و ساختار دمین ها شدیدا از میدان مغناطیسی خارجی متاثر می شوند به نحوی که در غیاب میدان مغناطیسی خارجی به صورت یک ذره غیر فعال عمل می کنند.
سوپرپارامغناطیسی ازویژگی های نانوذرات مغناطیسی هستند که منشا بسیاری از خواص منحصر به فردشان می باشد.

 روش کار
1. برای تهیه اکسید گرافن مغناطیسی، 40 میلی گرم اکسید گرافن را در 40 میلی لیتر آب
مقطر بریزید.
2. مخلوط را به مدت 30 دقیقه تحت امواج ماوراء صوت قرار می­گیرد.
3. سپس به آن 50 میلی لیتر محلولی که شامل 800 میلی گرم آهن (III) کلرید  و 300 میلی گرم آهن (II) کلرید و آمونیاک می­باشد، اضافه کنید.
4. در طی این مرحله نانو ذرات مغناطیسی آهن روی اکسید گرافن پخش شده و اکسید گرافن مغناطیسی بدست می­ آید.
سوالات
1. نانو ذره مغناطیسی شکل گرفته چه نام دارد.
2. فرمول تهیه نانو ذره سنتز شده را بنویسید.

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: محبوبه همت