Nanostruktur Besi Inti-Kulit: Karakterisasi Struktural, Oksidasi, dan Magnetik Rantai Nanokorona Fe–FeOx yang Bersifat Mandiri
Abstrak
Memahami komposisi lapis oksida nanostruktur besi inti-kulit sangat penting untuk memprediksi stabilitas kimia dan kinerja magnetiknya. Kami memintasi rantai nanokorona besi (NCs) dengan mereduksi FeCl₃ dengan NaBH₄ dalam media air, kemudian mengomorkan partikel dalam air hingga 360 menit. Difraksi X-ray mengonfirmasi inti besi kubik tubuh tengah, sementara mikroskopi transmisi elektron mengungkap lapis oksida besi yang tebal secara progresif (2,5–10 nm) seiring peningkatan waktu omorkan. Spektroskopi RAMAN mengidentifikasi fase hematit (α-Fe₂O₃) dan magnetit (Fe₃O₄); spektroskopi Mössbauer mengonfirmasi kulit campuran Fe₃O₄/α-Fe₂O₃ pada omorkan pendek, yang berubah menjadi hematit murni setelah paparan yang lebih lama. Vibrating sample magnetometry menunjukkan magnetisasi jenuh tinggi (Ms ≈ 1400 emu g⁻¹) untuk NCs yang baru disiapkan, menurun seiring pertumbuhan kulit. Temuan ini menunjukkan bahwa NCs besi dengan lapis oksida tipis adalah agen kontras MRI r₂ yang menjanjikan, sementara lapis yang lebih tebal meningkatkan stabilitas kimia untuk penggunaan biomedis.
Pendahuluan
Nanoware magnetik satu dimensi (NWs) menunjukkan anisotropi bentuk dan momen magnetik yang superior dibandingkan nanopartikel nol dimensi, yang mengarah pada kinerja yang ditingkatkan dalam hipertermia magnetik, pemisahan, dan citra. Studi terbaru melaporkan bahwa nanoroda dan nanoware Fe₃O₄ memiliki relaksivitas lintang (r₂) yang lebih tinggi dari partikel bola, berkat luas permukaan yang lebih besar dan Ms yang lebih tinggi. Meskipun penelitian luas pada nanostruktur besi inti-kulit, komposisi yang tepat dari lapis oksida—baik γ-Fe₂O₃, Fe₃O₄, α-Fe₂O₃, atau FeO—masih berselisih, sebagian besar karena oksida tipis sulit dipecahkan. Karya ini mengatasi kesenjangan itu dengan menggabungkan XRD, TEM, RAMAN, dan spektroskopi Mössbauer untuk memetakan evolusi lapis oksida selama omorkan air.
Bahan dan Metode
Bahan Kimia
FeCl₃·6H₂O (99 persen) dan NaBH₄ (98 persen) diperoleh dari National Medicines Corporation Ltd. (China). Argon (99,9 persen) digunakan sebagai atmosfer iners.
Sintesis Nanostruktur Besi Inti-Kulit NCs
FeCl₃·6H₂O (3 g) dilarutkan dalam 1 L air DI. NaBH₄ (6 g) ditambahkan secara titik-titik (1,5 mL s⁻¹) ke dalam larutan FeCl₃ tanpa diaduk, menghasilkan inti Fe⁰ yang berasosiasi sendiri menjadi rantai di bawah interaksi magnetik. Setelah sintesis, presipitasi dicuci dengan air DI dan etanol, kemudian dikeringkan di bawah Ar. Omorkan dalam air DI selama 0, 120, 240, dan 360 menit menghasilkan NCs Fe-0, –2, –4, dan –6, masing-masing.
Karakterisasi
FE-SEM (NOVA 400 Nano) dengan EDX digunakan untuk morfologi dan komposisi. XRD (Cu-Kα) mengonfirmasi fase kristal. Spektroskopi RAMAN (laser hijau 532 nm, 60 mW) mengidentifikasi fase oksida; daya lebih rendah (6 mW) meminimalkan oksidasi yang diinduksi laser. TEM (Tecnai G2 F30) mengukur dimensi inti dan kulit. Spektroskopi Mössbauer (⁵⁷Co, 320 K) menentukan status valensi besi. Vibrating sample magnetometry (VSM, Lake Shore 7307) mengukur Ms hingga 20 kOe.
Hasil dan Pembahasan
Morfologi dan Komposisi
Gambar FE-SEM menunjukkan rantai partikel besi yang dipisahkan oleh lapis oksida tipis. EDX dari NCs Fe-2 menunjukkan sekitar 77 persen Fe dan 22 persen O berdasarkan persentase atom.
XRD
Semua sampel menunjukkan puncak tajam pada 2θ = 44,9°, yang khas untuk bcc besi. Tidak ada puncak oksida yang muncul, yang menunjukkan bahwa lapis oksida amorf atau di bawah batas deteksi XRD.
TEM
Gambar TEM potongan lintang mengungkap struktur inti-kulit. Ketebalan kulit meningkat dari 2,5 nm (NCs Fe-0) menjadi 10 nm (NCs Fe-6) seiring pertumbuhan waktu omorkan, mengonfirmasi oksidasi progresif.
Spektroskopi RAMAN
Spektra RAMAN pada 60 mW menunjukkan band pada 217, 275, 386 cm⁻¹ dan gerincang lebar (1200–1300 cm⁻¹), yang mengindikasikan hematit. Pada 6 mW, puncak 670 cm⁻¹ yang berbeda muncul dalam NCs Fe-0 dan NCs Fe-2, mengonfirmasi magnetit. Puncak ini menghilang dalam NCs Fe-4 dan –6, yang mengindikasikan konversi menjadi hematit murni.
Spektroskopi Mössbauer
Kedua NCs Fe-0 dan –6 menunjukkan sextet dan doublet kuadrupel. NCs Fe-0 menunjukkan kontribusi magnetit (Fe²⁺/Fe³⁺) dan hematit; NCs Fe-6 menunjukkan terutama Fe³⁺, mengonfirmasi kulit hematit.
Properti Magnetik
Nilai Ms: NCs Fe-0 ≈ 1400 emu g⁻¹, NCs Fe-2 ≈ 1420 emu g⁻¹, NCs Fe-4 ≈ 1200 emu g⁻¹, NCs Fe-6 ≈ 910 emu g⁻¹. Penurunan berkorelasi dengan inti besi magnetik yang berkurang dan kulit hematit non-magnetik yang bertambah. Ms tinggi dari NCs Fe-0 menunjukkan relaksivitas r₂ yang kuat (secara teoretis r₂ ∝ Ms²r²), menjadikannya agen kontras MRI yang menarik.
Kesimpulan
Rantai nanokorona besi memiliki inti besi bcc dan lapis oksida yang berkembang dari campuran Fe₃O₄/α-Fe₂O₃ menjadi α-Fe₂O₃ murni dengan omorkan air yang berkepanjangan. NCs kulit tipis mempertahankan Ms tinggi dan adalah agen kontras MRI r₂ yang menjanjikan, sementara lapis yang lebih tebal meningkatkan stabilitas kimia untuk aplikasi biomedis.
