مگنتیت
مگنتیت یک ماده معدنی و یکی از اصلی‌ترین سنگ‌های آهن با فرمول شیمیایی Fe3O4 است. مگنتیت یکی از اکسیدهای آهن است واز نوع فری مغناطیسی است یعنی به یک آهنربا جذب می‌شود و می‌تواند مغناطیسی شود تا خود به آهنربای دائمی تبدیل شود. این ماده مغناطیسی‌ترین ماده معدنی طبیعی روی زمین است. قطعات آهن‌ربایی طبیعی مگنتیت که لودستون نامیده می‌شوند، قطعات کوچک آهن را به سمت خود جذب می‌کند، به همین وسیله بود که مردم باستان برای اولین بار خاصیت مغناطیس را کشف کردند.
مگنتیت سیاه یا قهوه ای مایل به سیاه با درخشش فلزی است، دارای سختی موس ۵–۶ است و رگه سیاهی بر جای می‌گذارد. دانه‌های ریز مگنتیت در سنگ‌های آذرین و دگرگونی بسیار رایج است.
نام شیمیایی آیوپاک آن اکسید آهن (II, III) و نام شیمیایی رایج آن نیز اکسید آهن-فریک است.
علاوه بر سنگ‌های آذرین، مگنتیت در سنگ‌های رسوبی، از جمله سازندهای آهن نواری و در رسوبات دریاچه‌ای و دریایی، هم به‌عنوان دانه‌های آواری و هم به‌عنوان مگنتوفسیل وجود دارد. همچنین تصور می‌شود که نانوذرات مگنتیت در خاک‌ها تشکیل می‌شوند، جایی که احتمالاً به سرعت اکسید می‌شوند و به مگمیت تبدیل می‌شوند.
ترکیب شیمیایی مگنتیت Fe(Fe)(O) است. این نشان می‌دهد که مگنتیت حاوی آهن (دو ظرفیتی) و آهن (سه ظرفیتی) است، که بیانگر تبلور در محیطی حاوی سطوح متوسط اکسیژن است. جزئیات اصلی ساختار آن در سال ۱۹۱۵ کشف شد. این یکی از اولین ساختارهای کریستالی بود که با استفاده از پراش اشعه ایکس به دست آمد. این ساختار اسپینل معکوس است، با یون‌های O که یک شبکه مکعبی و کاتیون‌های آهن را تشکیل می‌دهند که مکان‌های بینابینی را اشغال می‌کنند. نیمی از کاتیون‌های Fe جایگاه‌های چهار وجهی را اشغال می‌کنند در حالی که نیمی دیگر، همراه با کاتیون‌های Fe، مکان‌های هشت‌وجهی را اشغال می‌کنند. سلول واحد از ۳۲ یون O تشکیل شده‌است و طول سلول واحد a = ۰٫۸۳۹ نانومتر است.
به عنوان عضوی از گروه اسپینل معکوس، مگنتیت می‌تواند محلول‌های جامد را با مواد معدنی با ساختار مشابه، از جمله اولووسپینل (Fe) تشکیل دهد.
تیتانومغناطیس که به عنوان مگنتیت تیتانیفر نیز شناخته می‌شود، محلول جامدی بین مگنتیت و اولووسینل است که در بسیاری از سنگ‌های آذرین مافیک متبلور می‌شود. تیتانومغناطیس ممکن است در طول خنک شدن تحت محلول اکسی قرار گیرد که منجر به رشد درونی مگنتیت و ایلمنیت می‌شود.
مگنتیت طبیعی و مصنوعی معمولاً به‌عنوان بلورهای هشت‌وجهی محدود شده توسط صفحات {۱۱۱} و به‌عنوان لوزی-دوده‌هدرایی دیده می‌شود. دوقلوسازی در صفحه {۱۱۱} رخ می‌دهد.
سنتز هیدروترمال معمولاً بلورهای تک وجهی تولید می‌کند که می‌تواند به اندازه ۱۰ میلی‌متر (۰٫۳۹ اینچ) عرض داشته باشد. در حضور مواد معدنی مانند 0.1 M HI یا 2 M NH4Cl و در فشار ۰٫۲۰۷ مگاپاسکال در دمای ۴۱۶–۸۰۰ درجه سانتیگراد، مگنتیت به صورت بلورهایی رشد می‌کند که شکل آنها ترکیبی از اشکال لوزی-دودهچدری بوده‌است. کریستال‌ها گردتر از حد معمول بودند. ظهور فرم‌های بالاتر به دلیل کاهش انرژی‌های سطح ناشی از نسبت سطح پایین به حجم در کریستال‌های گرد در نظر گرفته می‌شود.
مگنتیت گاهی اوقات به مقدار زیاد در ماسه ساحل یافت می‌شود. چنین شن‌های سیاه (شن‌های معدنی یا ماسه‌های آهنی) در مکان‌های مختلفی مانند Lung Kwu Tan از هنگ کنگ یافت می‌شود. کالیفرنیا، ایالات متحده؛ و ساحل غربی جزیره شمالی نیوزلندنیز از سایر مکان‌هایی هستند که مگنتیت یافت می‌شود. مگنتیت که حاصل از فرسایش سنگ‌ها می‌باشد توسط رودخانه‌ها به ساحل منتقل می‌شود و توسط امواج و جریان‌ها متمرکز می‌شود. رسوبات عظیمی در یافت شده‌است. این سنگ‌های رسوبی برای استنباط تغییرات در محتوای اکسیژن جو زمین استفاده شده‌اند.
ذخایر بزرگ مگنتیت نیز در منطقه آتاکامای شیلی (کمربند آهنی شیلی) یافت می‌شود؛ منطقه ولنتاین در اروگوئه؛ کیرونا، سوئد؛ منطقه تالاوانگ در نیو ساوت ولز؛ و در منطقه آدیرونداک نیویورک در ایالات متحده. Kediet ej Jill، بلندترین کوه موریتانی، به‌طور کامل از این ماده معدنی ساخته شده‌است. ذخایر در نروژ، رومانی و اوکراین نیز یافت می‌شود. تپه‌های شنی غنی از مگنت در جنوب پرو یافت می‌شود. در سال ۲۰۰۵، یک شرکت اکتشافی به نام Cardero Resources، ذخیره وسیعی از تپه‌های شنی حاوی مگنتیت را در پرو کشف کرد. میدان تپه شنی ۲۵۰ کیلومتر مربع (۱۰۰ مایل مربع) را پوشش می‌دهد که بلندترین تپه شنی در ارتفاع بیش از ۲۰۰۰ متری (۶۵۶۰ فوت) بالاتر از کف بیابان است. ماسه حاوی ۱۰ درصد مگنتیت است.
در مقادیر کافی مگنتیت می‌تواند ناوبری قطب‌نما را تحت تأثیر قرار دهد. در تاسمانی مناطق بسیاری با سنگ‌های بسیار مغناطیسی وجود دارد که می‌توانند به شدت بر قطب‌نماها تأثیر بگذارند. هنگام استفاده از قطب‌نما در تاسمانی، مراحل اضافی و مشاهدات مکرر لازم است تا مشکلات ناوبری به حداقل برسد.
کریستال‌های مگنتیت با ساختار مکعبی نادر هستند اما در Balmat، شهرستان سنت لارنس، نیویورک و در Långban، سوئد یافت شده‌اند. این ساختار ممکن است در نتیجه تبلور در حضور کاتیون‌هایی مانند روی باشد.
مگنتیت همچنین به دلیل زیست کانی‌سازی در فسیل‌ها یافت می‌شود و به آنها مگنت فسیل می‌گویند. همچنین مواردی از مگنتیت وجود دارد که منشأ آن در فضا و از شهاب‌سنگ‌ها است.
معمولاً مربوط به حضور بلورهای بیوژنیک مگنتیت است که به‌طور گسترده در موجودات وجود دارد. این ارگانیسم‌ها از باکتری‌های مگنتوتاکتیک (مانند Magnetospirillum magnetotacticum) تا حیوانات، از جمله انسان‌ها، که کریستال‌های مگنتیت (و سایر ترکیبات حساس به مغناطیسی) در اندام‌های مختلف، بسته به گونه، یافت می‌شوند، متغیر هستند. بیومغناطیس‌ها تأثیر میدان‌های مغناطیسی ضعیف را بر سیستم‌های بیولوژیکی نشان می‌دهند. همچنین یک مبنای شیمیایی برای حساسیت سلولی به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی () وجود دارد. ذرات مگنتیت خالص در مگنتوزوم‌ها که توسط چندین گونه از باکتری‌های مگنتوتاکتیک تولید می‌شوند، زیست کانی می‌شوند. مگنتوزوم‌ها شامل زنجیره‌های بلندی از ذرات مگنتیت جهت دار هستند که توسط باکتری‌ها برای ناوبری استفاده می‌شود. پس از مرگ این باکتری‌ها، ذرات مگنتیت در مگنتوزوم‌ها ممکن است در رسوبات به صورت مگنتوفسیل حفظ شوند. برخی از انواع باکتری‌های بی هوازی که مگنتوتاکتیک نیستند نیز می‌توانند با کاهش اکسید آهن آمورفیک به مگنتیت، مگنتیت در رسوبات بدون اکسیژن ایجاد کنند.
چندین گونه از پرندگان شناخته شده‌اند که کریستال‌های مگنتیت را در منقار بالایی برای دریافت مغناطیسی ترکیب می‌کنند، که (در ارتباط با کریپتوکروم‌ها در شبکیه چشم) به آنها توانایی درک جهت، قطبیت و بزرگی میدان مغناطیسی محیط را می‌دهد.
کیتون‌ها، نوعی نرم‌تن، ساختاری زبان مانند دارند که به نام رادولا شناخته می‌شود و با دندان‌های پوشیده از مگنتیت یا دندانه‌ها پوشیده شده‌است. سختی مگنتیت به تجزیه مواد غذایی کمک می‌کند.
مگنتیت بیولوژیکی ممکن است اطلاعاتی را در مورد میدان‌های مغناطیسی که ارگانیسم در معرض آنها قرار گرفته‌است ذخیره کند، و به‌طور بالقوه به دانشمندان اجازه می‌دهد تا در مورد مهاجرت ارگانیسم یا تغییرات میدان مغناطیسی زمین در طول زمان بیاموزند. موجودات زنده می توانند مگنتیت تولید کنند،در انسان مگنتیت در قسمت‌های مختلف مغز از جمله لوب‌های فرونتال، استخوان آهیانه، اکسیپیتال یا استخوان پس سری و تمپورال لوب یا لوب گیجگاهی، ساقه مغز، مخچه و عقده‌های قاعده‌ای یافت می‌شود. آهن را می توان به سه شکل در مغز یافت - مگنتیت، هموگلوبین (خون) و فریتین (پروتئین)، و مناطقی از مغز که به عملکرد حرکتی مربوط می شوند عموماً حاوی آهن بیشتری هستند. مگنتیت را می توان در هیپوکامپ یا اسبک مغز یافت، هیپوکامپ با پردازش اطلاعات، به ویژه یادگیری و حافظه مرتبط است. با این حال، مگنتیت به دلیل ماهیت بار یا مغناطیسی و دخالت آن در استرس اکسیداتیو یا تولید رادیکال‌های آزاد می‌تواند اثرات سمی داشته باشد. تحقیقات نشان می‌دهد که پلاک‌های بتا آمیلوئید و پروتئین‌های تاو مرتبط با بیماری‌های عصبی اغلب پس از استرس اکسیداتیو و تجمع آهن ایجاد می‌شوند.
برخی از محققان همچنین پیشنهاد می‌کنند که انسان دارای حس مغناطیسی است، و پیشنهاد می‌کنند که این می‌تواند به افراد خاصی اجازه دهد تا از دریافت مغناطیسی برای ناوبری استفاده کنند. نقش مگنتیت در مغز هنوز به خوبی شناخته نشده است، و یک تاخیر کلی در به کارگیری تکنیک های مدرن تر و بین رشته ای برای مطالعه بیومغناطیس وجود دارد. اسکن‌های میکروسکوپ الکترونی نمونه‌های بافت مغز انسان، می‌توانند بین مگنتیت تولید شده توسط سلول‌های بدن و مگنتیت جذب‌شده از آلودگی هوا، تمایز قائل شوند، اشکال طبیعی دندانه‌دار و کریستالی هستند، در حالی که آلودگی مگنتیت به صورت نانوذرات گرد رخ می‌دهد. مگنتیت موجود در هوا که به طور بالقوه یک خطر برای سلامتی انسان است، نتیجه آلودگی (به ویژه احتراق) است. این نانوذرات می‌توانند از طریق عصب بویایی به مغز بروند و غلظت مگنتیت را در مغز افزایش دهند. در برخی از نمونه‌های مغز، آلودگی نانوذرات به اندازه 100:1 از ذرات طبیعی بیشتر است و چنین ذرات مگنتیت ناشی از آلودگی ممکن است با زوال عصبی غیرطبیعی مرتبط باشند. در یک مطالعه، نانوذرات مشخصه در مغز 37 نفر یافت شد: 29 نفر از آنها، 3 تا 85 ساله، در مکزیکو سیتی، یک کانون مهم آلودگی هوا، زندگی کرده و مرده بودند. برخی از هشت نفر دیگر، در سنین 62 تا 92، از منچستر، انگلستان، با شدت های مختلف بیماری های عصبی مرده بودند. چنین ذرات ممکن است به بیماری هایی مانند بیماری آلزایمر کمک کنند. اگرچه ارتباط علت و معلولی ثابت نشده است، مطالعات آزمایشگاهی نشان می دهد که اکسیدهای آهن مانند مگنتیت جزء پلاک های پروتئینی در مغز هستند که با بیماری آلزایمر مرتبط هستند.
افزایش سطح آهن، به ویژه آهن مغناطیسی، در بخش هایی از مغز بیماران آلزایمر مشاهده شده است. با توجه به شباهت مگنتیت و فریتین نظارت بر تغییرات در غلظت آهن ممکن است تشخیص از دست دادن نورون ها و ایجاد بیماری های عصبی قبل از شروع علائم را ممکن سازد. در بافت، مگنتیت و فریتین می‌توانند میدان‌های مغناطیسی کوچکی ایجاد کنند که با تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) تعامل ایجاد می‌کند. بیماران هانتینگتون افزایش سطح مگنتیت را نشان نداده اند. با این حال، سطوح بالایی در موش های مورد مطالعه پیدا شده است. مگنتیت به دلیل مقادیر بالای آهن آن از دیرباز یکی از سنگ‌های آهن اصلی بوده است.مگنتیت در کوره بلند برای تولید فولاد به آهن خام یا آهن اسفنجی تبدیل می شود. میکرو و نانو ذرات مگنتیت در کاربردهای مختلفی از زیست پزشکی گرفته تا علوم مربوط به محیط زیست استفاده می شوند. یکی از موارد استفاده در تصفیه آب است: در جداسازی مغناطیسی با گرادیان بالا، نانوذرات مگنتیت وارد شده به آب آلوده به ذرات معلق (مثلاً جامدات، باکتری ها یا پلانکتون ها) متصل می شوند و در کف سیال ته نشین می شوند و به این ترتیب آلاینده ها حذف شده و ذرات مگنتیت بازیافت و مورد استفاده مجدد قرار می گیرند.این روش با ذرات رادیواکتیو و سرطان‌زا نیز کار می‌کند و آن را به یک ابزار پاک‌سازی مهم در مورد فلزات سنگین وارد شده به سیستم‌های آبی تبدیل می‌کند.
یکی دیگر از کاربردهای نانوذرات مغناطیسی در ایجاد فروسیال است. این مواد علاوه بر سرگرم کننده بودن، به طرق مختلفی استفاده می شوند. فروفلوئیدها را می توان برای دارورسانی هدفمند در بدن انسان استفاده کرد. مغناطیس شدن ذرات متصل به مولکول‌های دارو باعث "کشیدن مغناطیسی" محلول به ناحیه مورد نظر بدن می‌شود. به این طریق می توان تنها قسمت کوچکی از بدن را مورد مداوا قرار داد و از تحت تاثیر قرار گرفتن سایر قسمت ها جلوگییری کرد. از جمله کاربردهای دیگر، می‌تواند در درمان سرطان بسیار مفید باشد. فروسیال ها همچنین در فناوری تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) استفاده می شوند. برای جداسازی زغال سنگ از ضایعات، از حمام های متراکم استفاده می شود. این تکنیک از تفاوت در چگالی بین زغال سنگ (1.3-1.4 تن در متر مکعب) و شیل (2.2-2.4 تن در متر مکعب) استفاده می کند. در محیطی با چگالی متوسط ​​(آب با مگنتیت)، سنگ ها غرق شده و زغال سنگ شناور می ماند.