磁鉄鉱

磁鉄鉱の化学組成は Fe ²⁺ (Fe ³⁺ ) ₂ (O ^2- ) ₄です。これは、磁鉄鉱が二価鉄と三価鉄の両方を含んでいることを示しており、中間レベルの酸素を含む環境で結晶化することを示唆しています。^{[ 14 ] [ 15 ]}その構造の主な詳細は 1915 年に確立されました。これは、X 線回折を使用して得られた最初の結晶構造の 1 つです。逆スピネル構造を持ち、O ^2-イオンが面心立方格子を形成し、鉄カチオンが格子間サイトを占めています。Fe ³⁺カチオンの半分は四面体サイトを占め、残りの半分は Fe ²⁺カチオンとともに八面体サイトを占めています。単位セルは 32 個のO ^2-イオンで構成され、単位セルの長さはa = 0.839 nm です。^{[ 15 ] [ 16 ]}  

逆スピネル群の一員として、マグネタイトはウルボスピネル （Fe ₂ TiO ₄）やマグネシオフェライト（MgFe ₂ O ₄ ）など、同様の構造を持つ鉱物と固溶体を形成することができる。^{[ 17 ]}

チタン磁鉄鉱（チタン含有磁鉄鉱とも呼ばれる）は、磁鉄鉱とウルボスピネルの固溶体であり、多くの苦鉄質火成岩中に結晶化する。チタン磁鉄鉱は冷却中に酸化溶離を起こし、磁鉄鉱とイルメナイトが内部に成長することがある。^{[ 17 ]}

天然および合成の磁鉄鉱は、{111} 面で囲まれた八面体結晶や菱形十二面体として最も一般的に産出する。^{[ 15 ]}双晶は {111} 面で発生する。^{[ 3 ]}

水熱合成では通常、直径が最大 10 ミリメートル (3/8インチ) にもなる単一の八面体結晶が生成されます。[ 15 ] ^{0.1 M HI} や 2  M NH4Clなどの鉱化剤が存在し、0.207 MPa 、 416 _～ 800 °C の条件下では、菱形十二面体形状の組み合わせの形状をした磁鉄鉱結晶が成長しました。^{[ 15 ]}これらの結晶は通常よりも丸みを帯びていました。より高次の形状の出現は、丸みを帯びた結晶の表面積対体積比の低下による表面エネルギーの低下の結果であると考えられています。^{[ 15 ]}  

磁鉄鉱は、岩石が形成される条件を理解する上で重要でした。磁鉄鉱は酸素と反応して赤鉄鉱を生成し、この鉱物ペアは、周囲の酸化度（酸素フガシティ）を制御できる緩衝材を形成します。この緩衝材は、赤鉄鉱-磁鉄鉱緩衝材またはHM緩衝材として知られています。酸素レベルが低い場合、磁鉄鉱は石英およびファヤライトと緩衝材を形成し、QFM緩衝材として知られています。さらに酸素レベルが低い場合、磁鉄鉱はウスタイトと緩衝材を形成し、MW緩衝材として知られています。QFM緩衝材とMW緩衝材は、岩石化学の実験室実験で広く使用されています。特にQFM緩衝材は、ほとんどの火成岩の酸素フガシティに近い値を生成します。^{[ 18 ] [ 19 ]}

一般的に、火成岩にはチタン磁鉄鉱とヘモイルメナイトまたはチタン赤鉄鉱の両方の固溶体が含まれています。鉱物ペアの組成は酸素フガシティを計算するために使用されます。マグマにはさまざまな酸化条件があり、酸化状態はマグマが分別結晶作用によってどのように進化するかを決定するのに役立ちます。^{[ 20 ]}磁鉄鉱は、ペリドタイトとダナイトから蛇紋岩化によっても生成されます。^{[ 21 ]}

磁鉄鉱は初期の磁気コンパスとして使われていました。磁鉄鉱は古地磁気学において重要なツールであり、プレートテクトニクスを理解する上で重要な科学であり、磁気流体力学やその他の科学分野の歴史的データでもあります。^{[ 22 ]}

磁鉄鉱とイルメナイト、ヘマタイト、ウルボスピネルなどの他の酸化鉄鉱物との関係は、これまで多くの研究が行われてきました。これらの鉱物と酸素との反応は、磁鉄鉱が地球の磁場の記録をどのように、いつ保存するかに影響を与えます。^{[ 23 ]}

低温では、マグネタイトは単斜晶構造から立方晶構造への結晶構造相転移を起こし、これはヴェルウェイ転移として知られています。光学研究によると、この金属から絶縁体への転移は急激で、約 120  Kで発生します。 ^{[ 24 ]}ヴェルウェイ転移は、粒径、ドメイン状態、圧力、^{[ 25 ]}および鉄-酸素の化学量論に依存します。^{[ 26 ]}また、ヴェルウェイ転移付近の約 130 K には等方点があり 、その点で磁気結晶異方性定数の符号が正から負に変化します。^{[ 27 ]}マグネタイトのキュリー温度は580 °C (853 K; 1,076 °F)です。^{[ 28 ]}   

磁鉄鉱が十分な量存在すれば、磁気強度を測定する磁力計を用いた航空磁気調査で発見することができる。 ^{[ 29 ]}

固体の磁鉄鉱粒子は約1,583～1,597 ℃（2,881～2,907 °F）で融解する。^{[ 30 ] [ 31 ]： 794}  

生物は磁鉄鉱を生成することができる。^{[ 55 ]}人間では、磁鉄鉱は前頭葉、頭頂葉、後頭葉、側頭葉、脳幹、小脳、基底核など、脳のさまざまな部分に見られる。^{[ 55 ] [ 63 ]}鉄は脳内に磁鉄鉱、ヘモグロビン（血液）、フェリチン（タンパク質）の3つの形態で存在し、運動機能に関連する脳領域には一般的に鉄が多く含まれている。^{[ 63 ] [ 64 ]}磁鉄鉱は海馬にも見られる。海馬は情報処理、特に学習と記憶に関連している。^{[ 63 ]}しかし、磁鉄鉱はその電荷または磁気的性質、および酸化ストレスまたはフリーラジカルの生成への関与により、毒性効果を持つ可能性がある。^{[ 65 ]}研究によると、神経変性疾患に関連するベータアミロイドプラークとタウタンパク質は、酸化ストレスと鉄の蓄積後に頻繁に発生することが示唆されている。 ^{[ 63 ]}

また、一部の研究者は、人間は磁気感覚を持っていると示唆しており^{[ 66 ]}、これにより特定の人々が磁気受容をナビゲーションに利用できる可能性があると提案している^{[ 67 ]。}脳における磁鉄鉱の役割はまだ十分に理解されておらず、生体磁気の研究に、より現代的な学際的手法を適用することには全般的に遅れが生じている^{[ 68 ] 。}

人間の脳組織サンプルの電子顕微鏡スキャンでは、体自身の細胞によって生成された磁鉄鉱と大気汚染から吸収された磁鉄鉱を区別することができ、天然の形態はギザギザで結晶状であるのに対し、汚染された磁鉄鉱は丸いナノ粒子として存在します。大気中の磁鉄鉱は、汚染（特に燃焼）の結果であり、人間の健康に害を及ぼす可能性があります。これらのナノ粒子は嗅神経を介して脳に移動し、脳内の磁鉄鉱の濃度を増加させる可能性があります。^{[ 63 ] [ 65 ]}一部の脳サンプルでは、​​ナノ粒子汚染が天然粒子の最大100倍にもなり、このような汚染由来の磁鉄鉱粒子は異常な神経変性に関連している可能性があります。ある研究では、特徴的なナノ粒子が37人の脳で見つかりました。そのうち29人は3歳から85歳で、大気汚染のホットスポットであるメキシコシティに住み、そこで亡くなりました。残りの8人のうち何人かは、イギリスのマンチェスター出身で、62歳から92歳で、さまざまな程度の神経変性疾患で亡くなっていた。^{[ 69 ]}このような粒子は、アルツハイマー病のような病気に寄与する可能性があると考えられる。^{[ 70 ]}因果関係はまだ確立されていないが、実験室研究では、マグネタイトなどの酸化鉄が脳内のタンパク質プラークの成分であることを示唆している。このようなプラークはアルツハイマー病と関連付けられている。^{[ 71 ]}

アルツハイマー病患者の脳の一部では、鉄、特に磁性鉄のレベルが上昇していることがわかっています。^{[ 72 ]}鉄濃度の変化をモニタリングすることで、症状が現れる前にニューロンの喪失や神経変性疾患の発症を検出できる可能性があります。^{[ 64 ] [ 72 ]}マグネタイトとフェリチンの関係により。^{[ 63 ]}組織内では、マグネタイトとフェリチンは小さな磁場を生成し、それが磁気共鳴画像法（MRI）と相互作用してコントラストを生み出します。^{[ 72 ]}ハンチントン病患者ではマグネタイトレベルの上昇は認められていませんが、研究用マウスでは高レベルが発見されています。^{[ 63 ]}

磁気アセテートテープを使用した音声録音は1930年代に開発されました。ドイツのマグネトフォンは当初、BASFがセルロースアセテートにコーティングしたマグネタイト粉末を使用していましたが、すぐに優れた形態を持つγ酸化鉄に切り替えました。^{[ 75 ]}第二次世界大戦 後、 3M社はドイツの設計の研究を続けました。1946年、3Mの研究者は、立方晶の粉末を使用した自社のマグネタイトベースの紙テープも、マグネタイトを針状のγ酸化鉄（γ-Fe ₂ O ₃）粒子に置き換えることで改良できることを発見しました。^{[ 75 ]}

世界のエネルギー予算の約2～3%は、マグネタイト由来の触媒に依存する窒素固定のためのハーバー・ボッシュ法に割り当てられています。工業用触媒は、通常、高純度マグネタイトの還元によって得られる微粉砕鉄粉から得られます。粉砕された鉄金属は、一定の粒径のマグネタイトまたはウスタイトを得るために燃焼（酸化）されます。マグネタイト（またはウスタイト）粒子は、その過程で酸素の一部が除去される部分還元されます。結果として得られる触媒粒子は、マグネタイトのコアがウスタイトのシェルに包まれ、さらに鉄金属の外殻で囲まれた構造になっています。触媒は還元中に体積の大部分を維持するため、多孔質で表面積の大きい材料となり、触媒としての有効性が向上します。^{[ 76 ] [ 77 ]}

磁鉄鉱の微粒子およびナノ粒子は、生物医学から環境まで、さまざまな用途で使用されています。その用途の1つは水浄化です。高勾配磁気分離では、汚染水に導入された磁鉄鉱ナノ粒子は、懸濁粒子（固体、細菌、プランクトンなど）に結合して液体の底に沈殿し、汚染物質を除去して磁鉄鉱粒子をリサイクルして再利用することができます。^{[ 78 ]}この方法は放射性粒子や発がん性粒子にも有効であり、水系に重金属が混入した場合の重要な浄化ツールとなっています。^{[ 79 ]}

磁性ナノ粒子のもう1つの応用例は、強磁性流体の製造です。これらはさまざまな方法で使用されます。強磁性流体は、人体への標的薬物送達に使用できます。 ^{[ 78 ]}薬物分子と結合した粒子の磁化により、溶液を体の目的の領域に「磁気的に引きずる」ことができます。これにより、体全体ではなく、体の小さな領域のみを治療することが可能になり、とりわけ癌治療に非常に役立つ可能性があります。強磁性流体は、磁気共鳴画像法（MRI）技術にも使用されています。^{[ 80 ]}

石炭を廃棄物から分離するために、重液浴槽が使用されます。この技術は、石炭（1.3～1.4トン/m³ ^）と頁岩（2.2～2.4トン/m³ ^）の密度の差を利用します。中間密度の媒体（磁鉄鉱を含む水）では、石は沈み、石炭は浮きます。^{[ 81 ]}