ננו-חלקיקים מגנטיים

ננו-חלקיקים מגנטיים הם חלקיקים בגודל ננומטרי (לרוב בין 1 ננומטר ל-100 ננומטר) העשויים מחומרים בעלי תכונות מגנטיות, כך שהם מושפעים משדה מגנטי חיצוני המופעל עליהם.
היתרון בחלקיקים מגנטיים בגודל זה נובע מכך שככל שמקטינים את גודל החלקיק המגנטי הוא רוכש מבנה פשוט יותר של התחום המגנטי בו ישנה מגנטיזציה אחידה. בכך, הננו-חלקיק מגדיל את היכולת להיות מכוון לפי השדה המגנטי המושרה עליו, בשונה מהחומר בממדו הגדול בו יש צבר גדול של תחומים מגנטיים. תכונה נוספת הקיימת בננו-חלקיקים מגנטיים המקנה להם יתרון היא פאראמגנטיות על. 
היכולת לשלוט במהלך הסינתזה של הננו-חלקיקים חשובה כדי להתאים את גודלם, הרכבם ופעילות פני שטחם.תכונות אלה יקנו לחלקיקים את יכולת המגנטיזציה ואת האפשרות לאבד אותה לאחר הסרת השדה החיצוני בהתאם לצורך לו הם נועדו. כמו כן, מאחר שלננו-חלקיקים מתכתיים ישנה אנרגיית פני שטח גבוהה, יש צורך בסנתוז של שכבת הגנה שתאפשר פסיבציה של פני השטח.
הננו-חלקיקים המגנטיים השכיחים ביותר כיום מורכבים בעיקר מברזל (Fe), זאת בזכות יכולת המגנטיזציה הגבוהה של מתכת זו והשימוש הנרחב בננו-חלקיקים אלה בתחומים רבים בתעשייה וברפואה.

רקע

ננו-חלקיקים מגנטיים מתכתיים מקובלט זמינים כבר מזה 50 שנה. הם יוצרו בשיטת פירוק תרמי כדי להגיע לרמה מבוקרת של גודל החלקיקים וטווח גדלים מצוצמם. לעומת זאת, כ-30 שנים אחרי, לקראת 1980, הוצעה לראשונה האפשרות להשתמש בננו-חלקיקים מגנטיים לצורך הכוונת תרופות לתאים. 
טווח הגדלים של ננו-חלקיקים מגנטיים יכול לנוע בין ננומטרים בודדים ועד לעשרות ננומטרים, כך שהם יכולים להיות בגודל של חלבון או אף גן ולהשפיע על פעילותם מקרוב. המאפיינים המגנטיים של ננו-חלקיקים תלויים בעיקר בגודלם ובצורתם בנוסף לתכונות המגנטיות שלהם כמו מומנט מגנטי וגביש מגנטי אנאיזוטרופי-magnetocrystalline anisotropy שהמגנוט שלהם מועדף בכיוון מסוים.
כיום יש מגוון רחב של ננו-חלקיקים מגנטיים המסונתזים במספר שיטות מקובלות. התכונות הפיזיקליות המיוחדות של הננו-חלקיקים המגנטיים מאפשרות להם להיות בשימוש נרחב בתחומים שונים כגון אחסון מידע, טיפול סרטני, הדמיות רפואיות, טיהור מים וכדומה.

סינתזת ננו-חלקיקים מגנטיים

ישנן שיטות סינתזה רבות להכנת ננו-חלקיקים מגנטיים, חלקן פשוטות ובעלות שלב אחד וחלקן ארוכות ומורכבות יותר. מוצגות להלן מספר שיטות מקובלות להכנת החלקיקים:

מנגנון מיצלה הפוכה

יצירת מיצלה הפוכה מתבססת על ממס לא פולרי (שאינו מימי), כך שהראש ההידרופילי של המולקולה פונה כלפי ליבת המיצלה והקצוות ההידרופובים פונים כלפי חוץ. במצב זה המרכיבים האי-אורגניים (לדוגמה, ברזל כלורידי) של התגובה ימצאו במרכז המיצלה ושם יווצרו הננו-חלקיקים. 
שיטה זו מאפשרת שליטה טובה על גודל החלקיקים הנוצרים בתוך המיצלה, כך שמתקבלת אחידות בגודלם. כמו כן, ניתן להוסיף שכבת ציפוי מגנה לננו-חלקיקים אלה במהלך הסינתזה.
החיסרון בשיטה הוא שטווח הגדלים של החלקיקים מוגבל לגודל המיצלה ושלא ניתן להוסיף שכבה אורגנית על גבי החלקיקים מאחר שהחומר האורגני יישאר בפאזה של הממס האורגני מבחוץ. 
בשיטה זו נוצרו ננו-חלקיקים מגנטיים מקובלט.

התעבות אדים כימית (CVC)

סינתזה של הננו-חלקיקים בעקבות התפרקות תרכובת מתכת נדיפה המחוממת בגז אינרטי (אדיש, שאינו משתתף בתגובה). 
שיטה זו מאפשרת יצירת ננו-חלקיקים מגנטיים באיכות גבוהה ובכמות גדולה, אך דורשת מכשור מתאים ולעיתים שימוש בתרכובות רעילות מהם מייצרים את החלקיקים. בשיטה זו ייצרו ננו-חלקיקים מגנטיים מתכתיים מברזל. הם השתמשו ב  כפרקורסר כך שהוא עבר פירוק בכבשן מחומם ולאחר מכן עיבוי לקבלת הננו-חלקיקים על גבי משטח מקורר. הננו-חלקיקים שהתקבלו היו בטווח גדלים שבין 5 ל-13 ננומטר. ניתן לעשות חמצון נוסף לננו-חלקיקים כפי שבוצע במחקרים אחרים לקבלת ננו-חלקיקים מגנטיים בטווח גדלים של 3-20 ננומטר ו 4-16 ננומטר.

פירוק תרמי

כאשר תחמוצת מלח מתכתית מחוממת לטמפרטורה מסוימת, היא מתפרקת לננו-חלקיקים של תחמוצת המתכת על פי התגובה הבאה (עבור ברזל):
ניתן לעשות חיזור של אותם ננו-חלקיקים מתחמוצת הברזל לננו-חלקיקים של המתכת עצמה על ידי חימום בטמפרטורה מתאימה ותחת גז מחזר על פי התגובות הבאות:
שיטה זו שכיחה בעיקר בתעשייה.

סינתזת תרסיס להבה

סינתזה באמצעות פירוליזה של תרסיס להבה מהווה את אחת השיטות היותר מבטיחות כיום ביצירת ננו-חלקיקים מגנטיים בזכות איכות החלקיקים וטווח גודלם המצומצם. שיטה זו מאפשרת הכנת ננו-חלקיקים מגנטיים שקשה או לא ניתן להכין בשיטות אחרות. מהלך הסינתזה כולל הזרקת חומר המוצא כגז או כנוזל וחימומו לטמפרטורה גבוהה הנעה בין 300 ל-500 מעלות צלזיוס, ללא נוכחות חמצן (או כל הלוגן אחר). תהליך זה הוא בלתי הפיך. במהלך התהליך, נוצרים מונומרים של הננו-חלקיקים המתנגשים זה בזה ליצירת אגרגטים לאורך הלהבה כמתואר באיור משמאל. הפרמטרים החשובים בסינתזה הם ריכוז חומר המוצא, זמן השהייה בלהבה והטמפרטורה.
תרסיס להבת הפירוליזה מוקף בצינור עם חורים ומוכנס למתקן עם אטמוספירה אינרטית. שליטה בקצב זרימת הגז מאפשרת תנאים מחזרים. תהליך זה מאפשר סינתזה של ננו-חלקיקים מגנטיים בשלב אחד. באיור מימין מופיעים תנאי סינתזה שונים והשפעתם על סוגי הננו-חלקיקים המתקבלים:

סוגי ננו-חלקיקים מגנטיים

ישנם שלושה סוגי ננו-חלקיקים מגנטיים שמיוצרים כיום:

תחמוצת

ננו-חלקיקים אלה עשויים מתחמוצת המתכת והם הננו-חלקיקים המגנטיים הנחקרים ביותר כיום. כאשר ננו-חלקיקים אלה קטנים מ-128 ננומטר הם בעלי פאראמגנטיות על, דבר המונע מהם להתאגד מאחר שהם מתמגנטים רק כאשר מושרה עליהם שדה מגנטי חיצוני. לאחר כיבוי השדה החיצוני, הם מאבדים את המגנטיות. ניתן להגביר את היציבות של ננו-חלקיקים אלה בתמיסות באמצעות התאמת פני שטחם על ידי חומרים פעילי שטח, תרכובות סיליקון וחומצה זרחתית.
דוגמאות לננו-חלקיקים נפוצים מסוג זה: , .

מתכתיים

ננו-חלקיקים מגנטיים ממתכת בלבד הם הפחות מועדפים עקב חסרונותיהם הרבים. ננו-חלקיקים אלה פעילים מאוד ונוטים להגיב באופן ספונטני עם אוויר ומים, כמו כן הם מגיבים עם תחמוצות שונות. תכונה זו מקשה על האחסון, הטיפול והאחזקה של החלקיקים.

מתכתיים עם קליפה

ננו-חלקיקים אלה בעלי ליבה מתכתית וקליפת הגנה המאפשרת פסיבציה של פני השטח של החלקיק. דוגמה לננו-חלקיקים עם ליבת קובלט ומעטפת של גרפן מובאת בתמונה. 
היתרונות בהשוואה לסוגי הננו-חלקיקים המגנטים האחרים הם במגנטיזציה הגבוהה שלהם, ביציבות גבוהה בתמיסות שונות (חומציות, בסיסיות ואורגניות) ובכימיה של מעטפת הגרפן שמוכרת כבר. מחקרים אחרים עשו שימוש בזהב בתור קליפה לננו-חלקיקים.

יישומים

במגוון רחב של תחומים משתמשים בננו-חלקיקים מגנטיים, להלן מספר דוגמאות לכך:

אבחון וטיפול רפואי

ננו-חלקיקים מגנטיים יכולים לשמש בדימות תהודה מגנטית (MRI) לאבחון רפואי. תאים המסומנים בננו-חלקיקים מגנטיים הם בעלי זמן רלקסציה   קצר יותר מאשר תאים ללא החלקיקים, דבר המקנה ניגודיות טובה יותר בהדמיית MRI. בנוסף, ניתן לכוון את הננו-חלקיקים לתאי מטרה ספציפיים בגוף ואף לצמד להם תרופות שיעזרו בטיפול במידת הצורך. באופן זה, הטיפול הוא נקודתי וספציפי לתאי המטרה ולכן יעיל יותר מהטיפול התרופתי הניתן כיום. 
במחקר מסוים ייצרו ננו-חלקיקים עם ליבה מתכתית מגנטית ששימשו לטיפול סרטני מוכוון על ידי העברת תרופה לתאים הסרטניים. בנוסף, אותם חלקיקים עזרו באיתור המיקום המדויק של התאים הסרטניים באמצעות דימות MRI כך שניתן לעקוב בזמן אמת אחר הטיפול. בדימות פלואורסצנטי לעומת דימות באמצעות MRI, נהוג להצמיד למעטפת הננו-חלקיקים קבוצות פונקציונאליות בעלות יכולת פלואורסצנציה. למרות ששיטה זו שכיחה, הצימוד הפלואורסצנטי למעטפת משפיע על מסיסות החלקיקים ומוריד את מספר האתרים הפנויים לקשירת ליגדנים שהיו יכולים לעזור בהכוונה של אותם ננו-חלקיקים לאתרי המטרה. כמו כן ישנה אפשרות שהחומר המתכתי של הננו-חלקיק יגרום לדעיכת הפליטה הפלואורסצנטית במנגנון Quenching.
ננו-חלקיקים מגנטיים יכולים להיות מותאמים ביולוגית ומכוונים אל אתר המטרה באמצעות טיפול של פני השטח שלהם, כך שמחד לא יעוררו תגובה חיסונית בגוף ומאידך יכוונו אל תאי המטרה הסרטניים באמצעות קבוצות פונקציונאליות על פני מעטפת החלקיק. אחד החומרים המקובלים כיום לציפוי הננו-חלקיקים הוא PEG  שהוא פולימר אינרטי המונע את הראקטיביות של הננו-חלקיקים ובכך מאפשר להם לפעול בגוף ללא הפרעות. התרופה המיועדת לטיפול נמצאת בתוך מעטפת החלקיק ומופעלת בהגיעה לתא המטרה. הליבה המתכתית מאפשרת לעקוב אחר החלקיקים מרגע כניסתם לגוף ועד הגעתם לגידול באמצעות הדמיית MRI. בנוסף, החלקיקים עשויים מחומרים מתכלים כך שבסוף התהליך הם יתפרקו בגוף ויסולקו ממנו. 
כיום ישנו טיפול חדש בשם היפרתרמיה מגנטית, בו משתמשים בננו-חלקיקים מגנטיים בטיפול בסרטן בעיקר. הטיפול מתבסס על כך שכאשר חושפים את הננו-חלקיקים המגנטיים לשדה מגנטי מתחלף, הם פולטים חום. כאשר מצמדים את הננו-חלקיקים לגידול בגוף באמצעות קבוצות מתאימות על פני שטח החלקיקים, ומפעילים את השדה המגנטי בתדירות ואמפליטודה מתאימים, טמפרטורת הגידול עולה, מה שגורם למות התאים הסרטניים ללא פגיעה ברקמה הבריאה מסביב.

סימון תאים

סימון תאים באמצעות ננו-חלקיקים מגנטיים הוא שיטה מקובלת כיום להפרדת והכוונת תאים. ניתן לסמן את התאים באמצעות חיבור הננו-חלקיקים לשטח התא או באמצעות כניסתם לתא בבליעה תאית (אנדוציטוזה). ניתן להפרידם או לכוונם בעזרת שדות מגנטיים.

מגנטופיקציה - הדבקה באמצעות שדה מגנטי חיצוני

תהליכים של העברת חומרים לתאים באמצעות שדה מגנטי נקראים מגנטופיקציה. בתהליך זה קושרים גורם כלשהו אל הננו-חלקיקים המגנטיים ולאחר מכן מוסיפים אותם אל התאים כאשר משרים עליהם שדה מגנטי. הננו-חלקיקים נמשכים לתוך התאים בכיוון השדה המושרה. לדוגמה: באמצעות תהליך זה מכניסים רצף של דנ"א לתאים כחלק מתהליך של הנדסה גנטית.

תהליכי הפרדה

אחד השימושים הידועים בננו-חלקיקים מגנטיים בתחום הגנטיקה הוא בידוד מולקולות רנ"א שליח. בשיטה זו קושרים קצה פולי T (רצף בסיסי דנ"א מסוג דאוקסיתימין פוספט) אל פני שטח החלקיק. כאשר מתרחש הערבוב עם הרנ"א שליח, הקצה פולי A (רצף בסיסי דנ"א מסוג דאוקסיאדנין פוספט הנמצאים בקצה של כל רנ"א שליח) של הרנ"א שליח ייצמד לקצה הפולי T המחובר לחלקיק וכך ניתן באמצעות מגנט למשוך את החלקיקים יחד עם מולקולות הרנ"א.

כימיה

ננו-חלקיקים מגנטיים בעלי פוטנציאל לשמש כזרזים בתגובות כימיות. אפשרות נוספת, מאחר שהחלקיקים מוצקים ובעלי שטח פנים גדול, הם יכולים לשמש כתומכים בזרזים כך שהזרז נספח אל הננו-חלקיקים המגנטיים והם מצדם יכולים להשתתף בתגובה או להיות אינרטים בה.

תהליכי טיהור

לננו-חלקיקים מגנטיים יש פוטנציאל גבוה לטיפול בזיהומים שונים במים בזכות יכולת ההפרדה שלהם על ידי הפעלת שדה מגנטי ובזכות יחס שטח לנפח גבוה. במחקר עם מתכות כבדות השתמשו בננו-חלקיקים מגנטיים על מנת להרחיק את המתכות הכבדות מתמיסות או ממים מזוהמים. לצורך כך השתמשו בננו-חלקיקים מגנטיים מברזל עם מעטפת פחמנית אליהם צימדו קלאטור EDTA. השימוש בננו-חלקיקים עם מעטפת פחמנית מספק מצד אחד יציבות לחלקיק ומאפשר מצד שני לקשור קבוצות פונקציונאליות נוספות עליו. לאחר שקשרו אל פני השטח שלהם אינטר-קלאטורים הנקשרים ליוני המתכת, מוסיפים את הננו-חלקיקים המגנטיים אל המים המזוהמים תוך ערבוב טוב, כך שהם קושרים אל פני השטח שלהם את יוני המתכת. בהמשך, פולים את הננו-חלקיקים שנקשרו אל המתכות על ידי ניקוזם באמצעות מגנט.

ליתוגרפיה מגנטית

ליתוגרפיה מגנטית היא שיטה להדפסה מולקולארית כימית או ביולוגית של פני משטחים הנקראת "מגנטוליתוגרפיה". שיטה זו משתמשת באנרגיה של שדות מגנטיים במקום באנרגיית אור. השדה המגנטי נבנה על פני המשטח באמצעות מסכה מגנטית הבנויה ממצע דיאמגנטי (חומר שלא מגיב למגנט) ותבנית העשויה מחומר פרומגנטי (חומר המגיב לשדות מגנטיים). התבנית קובעת את עוצמת השדות המגנטיים על פני המשטח ומטביעה את תבנית המסכה על פני המצע באמצעות ננו-חלקיקים מגנטיים. החלקיקים נמשכים לתבנית השדה המגנטי הנוצר על ידי המסכה המגנטית. הננו-חלקיקים יכולים להיקשר אל פני המשטח וליצור את תבנית המסכה על פני המצע - השיטה הפוזיטיבית - או לחלופין הם חוסמים את ההיקשרות של מולקולות אל פני המצע ובכך יוצרים הדפס מולקולארי שהוא בעצם תשליל המסכה - השיטה הנגטיבית. 
אחד היתרונות החשובים של השיטה החדשה הזו לעומת ליתוגרפיה אופטית הוא בכך ששיטה זו אינה רגישה כלל לטופוגרפית פני השטח כמו הפוטוליתוגרפיה. ניתן להדפיס באמצעותה משטחים קעורים או קמורים ואף משטחים סגורים כמו משטחים פנימיים של מיקרו צינוריות. שיטה זו אינה דורשת כיסוי כל שטח המצע בפוטורזיסט, דבר הגורם לזיהום פני המשטח ולקשיים בתהליך קשירתם של קבוצות מולקולאריות למצע. לעומת הפוטוליתוגרפיה הדורשת תהליך רב-שלבי הכולל ציפוי, חשיפה ופיתוח, הליתוגרפיה המגנטית היא חד-שלבית, פשוטה וזולה. בשונה מהשיטות האחרות החושפות את המצע כאשר המסכה מעל פני המצע, השיטה המוצעת היא "ליתוגרפיה גבית" כאשר המסכה נמצאת בגב המשטח המודפס. לליתוגרפיה גבית יש יתרון רב בתהליכים בהם תהליכי כיסוי המשטח הם רב-שלביים, כך שכל שכבה חייבת להיות מותאמת עם כל השכבות האחרות.

אחסון מידע

ננו-חלקיקים מגנטיים מהווים אופציה יעילה וטובה לאחסון מידע על ידי כך שהם מאפשרים להגדיל את צפיפות המידע המוכנסת ליחידת שטח תוך שמירה על רעש קריאה נמוך. המטרה היא להחליף את האזור המגנטי היחסית גדול הקיים כיום במדיה המשתמשת בקידוד בעזרת ספין מגנטי כגון בדיסקים קשיחים HD, לשימוש בננו-חלקיק מגנטי אחד שהוא בעל מבנה פשוט של התחום המגנטי. אחת הדוגמאות לכך הם ננו-חלקיקים מגנטיים מסגסוגת של ברזל ופלטינה (FePt). היתרון בננו-חלקיקים אלה שהם לא מאבדים בקלות את המגנטיזציה שהם לאחר הסרת השדה המגנטי החיצוני.

סכנות

כיום אין מידע רב לגבי הרעילות והסכנות שיש בננו-חלקיקים. תהליכי הייצור חושפים את האדם והסביבה לננו-חלקיקים. מחקרים מראים כי החלקיקים יכולים להישאף על ידי מערכת הנשימה ולהגיע לאזורים שונים בגוף, כולל המוח.דבר המעיד, ככל הנראה, על מעבר "מחסום דם-מוח" או מעבר דרך האפיתליום האולפקטורי, Olfactory epithelium . השאלה בדבר אגירתם של החלקיקים ברקמות הגוף השונות או דרכי פינויים עדיין פתוחה ולא באה לפתרונה המלא. 
מחקר על ננו-חלקיקים מגנטיים הראה כי דלעות שגודלו עם מים המכילים את הננו-חלקיקים קלטו אותם לרקמות של הצמח. מכאן, שישנה סכנה מפסולת של ננו-חלקיקים בעת שנפטרים ממנה, היכולה להגיע למי ההשקיה ומשם למזון אותו אנו אוכלים.
סיכון נוסף קיים מהשוני בתכונות החומר כאשר יורדים לרמה הננומטרית והתכונות הפיזיקליות של החומר משתנות לעומת התכונות הקיימות בחומר ברמה המיקרומטרית. כך למשל חומר במימד הננומטרי יכול להיות ריאקטיבי, פלואורסצנטי, מוליך, בעל חוזק רב יותר ואף לקבל תכונות בלתי צפויות.