Formation and alteration of magnetite nanoparticles

  • Magnetite is an iron oxide, which is ubiquitous in rocks and is usually deposited as small nanoparticulate matter among other rock material. It differs from most other iron oxides because it contains divalent and trivalent iron. Consequently, it has a special crystal structure and unique magnetic properties. These properties are used for paleoclimatic reconstructions where naturally occurring magnetite helps understanding former geological ages. Further on, magnetic properties are used in bio- and nanotechnological applications –synthetic magnetite serves as a contrast agent in MRI, is exploited in biosensing, hyperthermia or is used in storage media. Magnetic properties are strongly size-dependent and achieving size control under preferably mild synthesis conditions is of interest in order to obtain particles with required properties. By using a custom-made setup, it was possible to synthesize stable single domain magnetite nanoparticles with the co-precipitation method. Furthermore, it was shown that magnetite formation isMagnetite is an iron oxide, which is ubiquitous in rocks and is usually deposited as small nanoparticulate matter among other rock material. It differs from most other iron oxides because it contains divalent and trivalent iron. Consequently, it has a special crystal structure and unique magnetic properties. These properties are used for paleoclimatic reconstructions where naturally occurring magnetite helps understanding former geological ages. Further on, magnetic properties are used in bio- and nanotechnological applications –synthetic magnetite serves as a contrast agent in MRI, is exploited in biosensing, hyperthermia or is used in storage media. Magnetic properties are strongly size-dependent and achieving size control under preferably mild synthesis conditions is of interest in order to obtain particles with required properties. By using a custom-made setup, it was possible to synthesize stable single domain magnetite nanoparticles with the co-precipitation method. Furthermore, it was shown that magnetite formation is temperature-dependent, resulting in larger particles at higher temperatures. However, mechanistic approaches about the details are incomplete. Formation of magnetite from solution was shown to occur from nanoparticulate matter rather than solvated ions. The theoretical framework of such processes has only started to be described, partly due to the lack of kinetic or thermodynamic data. Synthesis of magnetite nanoparticles at different temperatures was performed and the Arrhenius plot was used determine an activation energy for crystal growth of 28.4 kJ mol-1, which led to the conclusion that nanoparticle diffusion is the rate-determining step. Furthermore, a study of the alteration of magnetite particles of different sizes as a function of their storage conditions is presented. The magnetic properties depend not only on particle size but also depend on the structure of the oxide, because magnetite oxidizes to maghemite under environmental conditions. The dynamics of this process have not been well described. Smaller nanoparticles are shown to oxidize more rapidly than larger ones and the lower the storage temperature, the lower the measured oxidation. In addition, the magnetic properties of the altered particles are not decreased dramatically, thus suggesting that this alteration will not impact the use of such nanoparticles as medical carriers. Finally, the effect of biological additives on magnetite formation was investigated. Magnetotactic bacteria¬¬ are able to synthesize and align magnetite nanoparticles of well-defined size and morphology due to the involvement of special proteins with specific binding properties. Based on this model of morphology control, phage display experiments were performed to determine peptide sequences that preferably bind to (111)-magnetite faces. The aim was to control the shape of magnetite nanoparticles during the formation. Magnetotactic bacteria are also able to control the intracellular redox potential with proteins called magnetochromes. MamP is such a protein and its oxidizing nature was studied in vitro via biomimetic magnetite formation experiments based on ferrous ions. Magnetite and further trivalent oxides were found. This work helps understanding basic mechanisms of magnetite formation and gives insight into non-classical crystal growth. In addition, it is shown that alteration of magnetite nanoparticles is mainly based on oxidation to maghemite and does not significantly influence the magnetic properties. Finally, biomimetic experiments help understanding the role of MamP within the bacteria and furthermore, a first step was performed to achieve morphology control in magnetite formation via co-precipitation.show moreshow less
  • Magnetit ist ein Eisenoxid, welches ein häufiger Bestandteil in Mineralen ist und normalerweise als nm-großen Teilchen unter anderem Gesteinsmaterial verteilt ist. Es unterscheidet sich in seiner Zusammensetzung von den meisten anderen Eisenoxiden, da es sowohl divalente als auch trivalente Eisenoxide enthält. Die Folge ist eine besondere Kristallstruktur und somit einzigartige magnetische Eigenschaften. Diese Eigenschaften werden bei paläoklimatologischen Rekonstruktionen genutzt, bei denen natürlich vorkommender Magnetit hilft, die Bedingungen vergangener Zeitalter zu verstehen. Weiterhin werden die magnetischen Eigenschaften in bio- und nanotechnologischen Anwendungen genutzt. Synthetischer Magnetit dient als Kontrastmittel in der MRT, in biologischen Sensorsystemen, bei Hyperthermie-Behandlungen oder als Grundlage für Datenspeichermedien. Da die magnetischen Eigenschaften im nm-Bereich stark von der Größe der Teilchen abhängen, ist eine möglichst präzise Kontrolle der Größe von enormer Bedeutung. Mit Hilfe einesMagnetit ist ein Eisenoxid, welches ein häufiger Bestandteil in Mineralen ist und normalerweise als nm-großen Teilchen unter anderem Gesteinsmaterial verteilt ist. Es unterscheidet sich in seiner Zusammensetzung von den meisten anderen Eisenoxiden, da es sowohl divalente als auch trivalente Eisenoxide enthält. Die Folge ist eine besondere Kristallstruktur und somit einzigartige magnetische Eigenschaften. Diese Eigenschaften werden bei paläoklimatologischen Rekonstruktionen genutzt, bei denen natürlich vorkommender Magnetit hilft, die Bedingungen vergangener Zeitalter zu verstehen. Weiterhin werden die magnetischen Eigenschaften in bio- und nanotechnologischen Anwendungen genutzt. Synthetischer Magnetit dient als Kontrastmittel in der MRT, in biologischen Sensorsystemen, bei Hyperthermie-Behandlungen oder als Grundlage für Datenspeichermedien. Da die magnetischen Eigenschaften im nm-Bereich stark von der Größe der Teilchen abhängen, ist eine möglichst präzise Kontrolle der Größe von enormer Bedeutung. Mit Hilfe eines maßgefertigten Syntheseaufbaus war es möglich durch Mitfällung Teilchen oberhalb des superparamagnetischen Schwellenwerts zu produzieren. Außerdem konnte eine Temperaturabhängigkeit gezeigt werden; höhere Temperaturen während der Magnetit-Bildung resultieren in größeren Teilchen. Der Prozess dahinter ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Die Bildung von Magnetit in wässriger Lösung erfolgt nicht über Ionen, sondern wird über die zwischenzeitliche Bildung von nm-großen Vorläufern realisiert. Unter Berücksichtigung dieser Vorläufer wurde die Bildung von Magnetit in einen neuen theoretischen Rahmen gesetzt, jedoch mangelt es bisher an kinetischen Daten. Durch die Synthese von Magnetit bei unterschiedlichen Temperaturen konnte mit Hilfe des Arrhenius-Plots eine Aktivierungsenergie für das Kristallwachstum von 28.4 kJ mol-1 ermittelt werden. Dieser Wert deutet auf einen diffusionskontrollierten Prozess hin. Auch die Alterung von Magnetit-Nanopartikeln spielt eine wichtige Rolle, da Magnetit unter Umgebungsbedingungen zu Maghämit oxidiert wird. Deshalb wird hier eine Studie zur Alterung von Magnetit-Nanopartikeln unterschiedlicher Größe unter verschiedenen Lagerungsbedingungen präsentiert. Kleine Teilchen tendieren zu stärkerer Oxidation im selben Zeitraum und weiterhin oxidieren die Teilchen weniger, je geringer die Temperatur ist. Da Magnetit und Maghämit sich in ihren magnetischen Eigenschaften nur geringfügig unterscheiden, werden diese durch den oxidativen Prozess nur geringfügig beeinflusst. Als letztes wurde der Einfluss biologischer Zusätze zur Magnetit-Bildung überprüft. Magnetotaktische Bakterien sind in der Lage, Magnetit-Nanopartikel von definierter Größe und Morphologie herzustellen, involviert sind eine Reihe von spezifischen Proteinen mit speziellen Bindungseigenschaften. Darauf basierend wurden, zur Selektion spezifischer Peptidsequenzen, Phagen-Display-Experimente an einer (111)-Magnetitoberfläche durchgeführt. Diese sollten eine Morphologie-Kontrolle während der Magnetit-Synthese ermöglichen. Magnetotaktische Bakterien sind außerdem in der Lage das intrazelluläre Redox-Potential mit Hilfe von Proteinen, den Magnetochromen, zu kontrollieren. MamP ist eines dieser Proteine und sein oxidatives Potential wurde in einer in vitro-Magnetit-Synthese überprüft. Der Einsatz von FeII ergab sowohl Magnetit als auch trivalente Eisenoxide als Produkte. Diese Arbeit ermöglicht einen Einblick in die grundlegenden Mechanismen der Magnetit-Bildung, welche unter nicht-klassischen Bedingungen abläuft. Die Alterung der Nanopartikel, welche hauptsächlich die Oxidation zu Maghämit beinhaltet, hat nur geringen Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften. Biomimetische Experimente halfen die Rolle von MamP innerhalb der Bakterien zu verstehen und zuletzt wurde ein erster Versuch unternommen, die von den Bakterien erreichte Morphologie-Kontrolle auch in vitro zu ermöglichen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Marc Widdrat
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-72239
Title Additional (German):Bildung und Alterung von Magnetit-Nanopartikeln
Advisor:Peter Strauch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/01/09
Release Date:2015/02/18
Tag:Kristallisation von Magnetit-Nanopartikeln; Röntgenbeugung; Wachstumskinetik; magnetische Eigenschaften
alteration of magnetite; crystallization of magnetite nanoparticle; growth kinetics
Pagenumber:113
RVK - Regensburg Classification:VE 5070, VE 9857
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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