نانوذرات اکسید آهن
ویژگی‌های مغناطیسی

باتوجه به ۴ الکترون جفت‌نشده در لایه الکترونی 3d، یک اتم آهن یک گشتاور مغناطیسی قوی دارد. یون‌های Fe2+
 همچنین دارای ۴ الکترون جفت‌نشده در لایه 3d و یون‌های Fe3+
 دارای ۵ الکترون جفت‌نشده در لایه 3d هستند؛ بنابراین هنگامی که کریستال‌ها از اتم‌های آهن یا یون‌های Fe2+
وFe3+
 تشکیل می‌شوند، آنها می‌توانند در حالت‌های فرومغناطیس، آنتی‌فرومغناطیس یا فری‌مغناطیس باشند.
در حالت پارامغناطیس، گشتاورهای مغناطیسی اتمی فردی به‌طور تصادفی جهت‌گیری کرده‌اند و چون میدان مغناطیسی وجود ندارد ماده دارای گشتاور مغناطیسی خالص صفر است. این مواد دارای تراوایی مغناطیسی نسبی بزرگتر از ۱ هستند و به میدان‌های مغناطیسی جذب می‌شوند. گشتاور مغناطیسی هنگامی که میدان بکار برده شده حذف شود، به صفر کاهش پیدا می‌کند. اما در یک مادهٔ فرومغناطیس تمام گشتاورهای اتمی حتی بدون میدان خارجی تراز می‌شوند. یک ماده فری‌مغناطیس شبیه به فرومغناطیس است؛ اما دارای دو نوع مختلف از اتم‌ها با گشتاورهای مغناطیسی متضاد است. ماده دارای یک گشتاور مغناطیسی است زیرا گشتاورهای متضاد دارای قدرت‌های مختلف می‌باشند. اگر آنها اندازه‌های یکسان داشته باشند، کریستال آنتی‌فرومغناطیسی است و هیچ گشتاور مغناطیسی‌ای ندارد.
هنگامی که یک میدان مغناطیسی خارجی به یک ماده فرو مغناطیس اعمال می‌شود، مغناطش (M) با قدرت میدان مغناطیسی(H) افزایش می‌یابد تا آنکه اشباع شود. در برخی از محدوده میدان‌ها مغناطش دارای پسماند است زیرا بیش از یک حالت مغناطیسی پایدار برای هر میدان وجود دارد؛ بنابراین، مغناطش باقی‌مانده حتی پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی نیز حضور خواهد داشت.
یک ماده مغناطیسی تک دامنه (به عنوان مثال نانوذرات مغناطیسی) که دارای حلقه پسماند نیست، فوق پارامغناطیس نامیده می‌شود. چیدمان گشتاورهای مغناطیسی در مواد فرومغناطیس، آنتی‌فرومغناطیس و فری‌مغناطیس با افزایش دمای کاهش می‌یابد. مواد فرومغناطیس و فری‌مغناطیس بی نظم می‌شوند و خاصیت مغناطیسی‌شان را فراتر از نقطه کوری( T_{C}) از دست می‌دهند و مواد آنتی‌فرومغناطیس خاصیت مغناطیسی‌شان را فراتر از دمای نیل ( T_{N}) از دست می‌دهند. مگنتیت در دمای اتاق فری مغناطیسی است و دارای دمای کوری ۸۵۰ کلوین است. ماژیمیت در دمای اتاق، فری‌مغناطیس و در دماهای بالا ناپایدار است و پذیرفتاری مغناطیسی خود را با زمان از دست می‌دهد. (تعیین درجه کوری آن سخت است). هر دو نانوذرات مغناطیسی و ماژیمیت در دمای اتاق فوق‌پارامغناطیس هستند.
این رفتار فوق پارا مغناطیسی نانوذرات اکسید آهن را می‌توان به اندازه آنها نسبت داد. هنگامی که اندازه به اندازه کافی کوچک می‌شود (کوچکتر از ۱۰ نانومتر)، نوسانات حرارتی می‌تواند جهت مغناطیسی کل کریستال را تغییر دهد. ماده ای با بسیاری از این بلورها مثل یکپارامغناطیس رفتار می‌کند، به جز اینکه گشتاورهای کل کریستال‌ها به جای اتم‌های فردی نوسان دارند.
علاوه بر این، رفتار فوق‌مغناطیسی منحصر به فرد نانوذرات اکسید آهن اجازه می‌دهد تا آنها از راه دور از نظر مغناطیسی دستکاری شوند. در بخش‌های آخری، دستکاری خارجی با توجه به کاربرد زیست‌پزشکی نانوذرات اکسید آهن مورد بحث قرار می‌گیرد. نیروها برای دستکاری مسیر ذرات اکسید آهن مورد نیاز هستند.
یک میدان مغناطیسی یکنواخت فضایی می‌تواند گشتاور ذرات مغناطیسی ایجاد کند، اما نمی‌تواند باعث انتقال ذره شود؛ بنابراین، میدان مغناطیسی باید یک گرادیان برای ایجاد حرکت انتقال باشد. نیرو روی یک نقطه با گشتاور دو قطبی مغناطیسی m و میدان مغناطیسی B با معادله زیر داده شده‌است:
در کاربردهای بیولوژیکی، نانوذرات اکسید آهن از طریق یک نوع مایع، احتمالاً مایع بدن منتقل می‌شوند؛ در این صورت معادله فوق می‌تواند اصلاح شود به:
بر اساس این معادلات، بزرگترین نیرو در جهت بزرگترین شیب مثبت چگالی انرژی میدان وجود خواهد داشت. یکی دیگر از ملاحظات مهم نیرویی است که علیه نیروی مغناطیسی عمل می‌کند. همان‌طور که نانوذرات اکسید آهن به سمت منبع مغناطیسی منتقل می‌شوند، نیروی کشش استوکس را در جهت مخالف تجربه می‌کنند. نیروی کشش در زیر بیان شده‌است:
در این معادله، η ویسکوزیته مایع است، R شعاع هیدرودینامیکی ذره است، و 𝑣 سرعت ذره است.