11.1 磁性纳米材料
磁性纳米材料的制备和应用研究
磁性纳米材料的制备和应用研究随着科技的进步和人类对于材料科学的不断探索，磁性纳米材料逐渐成为了研究的热点。
磁性纳米材料是一种以铁、镍、钴等有磁性物质为主要原料，制备出来的粒子直径小于100纳米的材料，通常分为多相分散态和单相体系两种。
这种材料具有超强的磁性、高可控性和多样的应用，近年来得到了广泛的关注和研究。
磁性纳米材料的制备方法主要有物理法和化学法两种。
物理法是通过化学气相沉积、溅射、激光蒸发等物理手段制备的方法，制备出的纳米粒子具有均一性高、成分纯、簇团分散性好的优点，但是制备成本较高，工艺难度也更大。
化学法则是通过溶胶-凝胶法、共沉淀法、扩散法等化学过程制备的方法,这种方法的特点是简单易行、成本较低。
然而，所得到的纳米粒子粒径大小分布不够均匀，晶型不完整，控制成分麻烦等缺点难以避免。
在制备过程中，磁性纳米材料的表面状态和粒径尺寸等参数都是影响材料性能的重要因素。
目前，磁性纳米材料的应用涵盖了生物医学、信息通信、环境修复及能源等众多领域。
在生物医学领域中，磁性纳米材料可以被用于磁共振成像、靶向性药物输运、生物分子分离等。
在信息通信领域中，磁性纳米材料可以制备高密度的数据存储设备。
在环境修复领域中，通过磁性分离和吸附，可以高效地去除环境中的有害物质。
在能源领域中，磁性纳米材料可以作为高效的催化剂和传感器，在新能源开发和节能环保方面也有着广泛的应用前景。
磁性纳米材料的性质和应用极其广泛，这也为其制备方式和制备工艺提出了更高的要求。
通过调控合成材料的成分、比表面积、结构形貌等因素，可以进一步优化材料的性能。
随着科技的不断进步和人类对于磁性纳米材料认知的不断提高，其制备方法和应用领域也将不断拓展和完善。
磁性纳米材料的合成与应用
磁性纳米材料的合成与应用嘿，你知道吗？在科技这个神奇的大舞台上，磁性纳米材料正悄悄崭露头角，成为一颗备受瞩目的“新星”。
先来说说磁性纳米材料是怎么合成的吧。
这就好比是一场微观世界里的魔法秀！科学家们就像神奇的魔术师，用各种巧妙的方法把它们变出来。
比如说，有一种方法叫化学共沉淀法。
想象一下，在一个小小的实验室里，各种化学试剂就像一群调皮的小精灵，在科学家的指挥下有序地聚集在一起。
先把含有铁离子和亚铁离子的溶液混合起来，再加入一些碱性物质，哇塞，神奇的事情发生了！这些离子们迅速反应，生成了小小的磁性纳米颗粒。
这过程就像一场精心编排的舞蹈，每一个步骤都精准无误。
还有一种热分解法，这就像是给材料们来了一场高温派对！把有机金属化合物放在高温环境下，它们就开始热热闹闹地分解，然后重组，形成了我们想要的磁性纳米材料。
这可不是随便就能做到的，得精确控制温度、反应时间这些条件，稍有差错，这场派对可就搞砸啦。
再来讲讲磁性纳米材料的应用，那可真是五花八门！就拿医疗领域来说吧，有一次我去医院看望生病的朋友，听到医生们在讨论一种新的癌症治疗方法，里面就用到了磁性纳米材料。
这些小小的颗粒就像带着任务的小战士，它们可以被精准地送到肿瘤部位。
医生们会在体外施加磁场，引导这些纳米颗粒聚集在肿瘤处，然后通过加热或者释放药物来杀死癌细胞。
这可太神奇了，就好像给癌细胞布下了天罗地网，让它们无处可逃。
在环境保护方面，磁性纳米材料也大显身手。
我记得有一回在河边散步，看到工作人员拿着一些奇怪的设备在检测水质。
后来一打听，原来他们用的就是基于磁性纳米材料的检测工具。
这些材料能够快速吸附水中的污染物，把脏东西一网打尽，让河水重新变得清澈见底。
在电子信息领域，磁性纳米材料也是功不可没。
想象一下，我们的电脑硬盘变得越来越小，存储容量却越来越大，这其中就有磁性纳米材料的功劳。
它们就像一个个小小的信息仓库管理员，把大量的数据有序地存储起来。
磁性纳米材料的未来更是充满了无限可能。
磁性纳米材料的合成与应用
磁性纳米材料的合成与应用随着纳米科技的不断发展，磁性纳米材料也逐渐成为研究的热点之一。
磁性纳米材料是指粒径在10-100纳米（nm）之间的具有磁性的固体材料。
相对于传统的大尺寸材料，磁性纳米材料具有很多独特的物理和化学性质，因此在各种领域中的应用前景广阔。
一、磁性纳米材料的合成方法磁性纳米材料的制备方法多样，通常可以分为物理方法和化学方法两大类。
其中，热分解法、氢气还原法、溅射法、电子束辐照法等属于物理方法；溶胶凝胶法、沉淀法、水热法、微乳法、气相沉积法等则属于化学方法。
以溶胶凝胶法为例，其合成过程主要有以下几个步骤：1、制备溶胶：将气相或溶液中的金属离子制备成溶胶，首先需要选择合适的前驱体，二是通过溶液的反应或气相的淀积将前驱体转化为可溶的纳米颗粒。
2、凝胶化：将制备好的溶胶缓慢挥发或加热干燥，使其形成风干胶。
在此过程中，添加一定的交联剂（如甲醛、聚乙二醇等）或在高温反应中调整pH值，可控制溶胶的多孔性和凝胶化程度，从而调节所制备的纳米晶体尺寸和形状。
3、煅烧处理：将制备好的胶体样品在高温（500-800℃）下进行处理，去除交联剂和残留的有机物等，同时触发氧化和还原反应，形成纯净的金属氧化物或金属纳米晶体。
二、磁性纳米材料的性质与应用磁性纳米材料相对于传统材料，具有许多独特的物理和化学性质。
其中，最显著的特点就是具有高达250倍的表面积/体积比，因此很容易与其他物质发生相互作用。
此外，由于明显的量子尺寸效应以及面积效应，对于磁性纳米材料，磁性、光学、电学等性质的变化都非常显著。
1、磁性性质：由于磁性纳米颗粒的尺寸小到接近超顺磁体量级，因此它们展现出的磁性与大尺寸材料相比有很大不同。
例如，经常研究的磁性纳米颗粒具有具有众多的数量涨落、形状涨落和表面涨落，这些都极大地改变了它们的磁性。
此外，在磁性纳米颗粒中，磁向随着粒子尺寸而发生变化，表现出各种不同的磁性行为（如超顺磁性、顺磁性、铁磁性等），在磁性存储、生物医学等领域有着潜在的应用前景。
磁性纳米材料的制备及在催化领域中的应用
磁性纳米材料的制备及在催化领域中的应用磁性纳米材料是指大小在1-100纳米范围内的具有磁性的物质，由于其具有极高的比表面积和磁性能，因此在催化领域中具有广泛的应用前景。
本文将从磁性纳米材料的制备、催化机理、实验条件等方面进行探讨。
一、磁性纳米材料的制备方法当前常见的磁性纳米材料制备方法主要包括物理法、化学法和生物法等三类方法。
1. 物理法制备磁性纳米材料物理法制备磁性纳米材料主要包括球形团聚法、溅射法、气相扩散法、气相冷凝法等多种方法。
其中，球形团聚法指的是通过Fe粉末及其它物质减少磁性纳米粒子团聚，以获得单分散性较好的尺寸分布的颗粒为主。
溅射法通常需要使用惰性气体，如氦、氖等惰性气体作为载气体，利用氧化铁等相应金属材料进行溅射而制备磁性纳米材料。
2. 化学法制备磁性纳米材料化学法制备磁性纳米材料主要包括共沉淀法、热分解法、水热合成法、溶胶－凝胶法、低温热法、微乳法等多种方法。
其中，共沉淀法是较为常用方法，该方法使用Fe3+、Fe2+离子等为起始材料，通过一定的还原剂使Fe3+、Fe2+被还原为Fe2O3、Fe3O4等物质从而制备磁性纳米材料。
3. 生物法制备磁性纳米材料生物法制备磁性纳米材料是指利用微生物发酵或使用生物发酵液等方式，通过其代谢物对溶液中金属离子的还原而制备相关磁性纳米材料。
二、磁性纳米材料在催化领域中的应用1. 光催化领域磁性纳米材料与光催化领域结合，能够有效地降低能源消耗及公害的产生，形成一种绿色化学催化新方法。
磁性纳米材料能够有效地降低污染金属离子浓度，具有可逆造成的等回收性优点。
2. 电催化领域磁性纳米材料在电催化领域具有一定的应用，如有磁性质的炭气化催化剂在热裂解过程中发挥催化作用。
3. 燃烧领域磁性纳米材料与燃烧领域同样也具有一定的应用前景。
如利用磁性纳米材料催化减排合成气中的一氧化碳，可以有效减少环保金属的浪费。
三、实验注意事项在实验中应注意磁性纳米材料的安全操作，避免误作用，使用特定物质时予以个性化操作。
纳米磁性材料ppt课件
3. 1988年，法国巴黎大学教授研究组首先在Fe/Cr纳米结构的多 层膜中发现了巨磁电阻效应，引起国际上的反响。此后，美国、 日本和西欧都对发展巨磁电阻材料及其在高技术中的应用投入很 大的力量，兴起纳米磁性材料的开发应用热。1988年，由非晶态 FeSiB退火通过掺杂Cu和Nb控制晶粒，获得了新型的纳米晶软磁材 料； 4. 1988年，人们发现了磁性多层膜的巨磁电阻效应，并由此产生 一门新兴学科：自旋电子学。 5. 1993年，人们通过理论研究发现，纳米级的软磁和硬磁颗粒复 合将综合软磁Ms高，硬磁Hc高的优点获得磁能积比现有最好NdFeB 高一倍的新型纳米硬磁材料。 6. 进人21世纪以来，利用模板生长一维磁性纳米丝的研究很活跃， 材料包括单一金属、合金、化合物、多层材料、复合材料等，应 用目标也从存储介质到细胞分离，多种多样。
（4）生成磁性液体的必要条件 生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够小，
在致可以削弱磁偶极矩之间的静磁作用，能在基液中作无 规则的热运动。基液包括：水基、煤油基、短基、二醋基、 聚苯基、硅油基、氟碳基等。
（5）磁性液体的特点
在磁场作用下可以被磁化，可以在磁场作用下运动， 但同时它又是液体，具有液体的流动性。
二、纳米磁性材料的定义
纳米磁性材料是指材料尺寸限度 Nano Material
在纳米级，通常在1-100nm的准
0D
零维超细微粉，一维超细纤维
（丝）或二维超薄膜或由它们组
成的固态或液态磁性材料。当传
1D
统固体材料经过科技手段被细化
到纳米级时，其表面和量子隧道
等
4、 磁性液体
（1）磁性液体的定义 磁性液体是由纳米磁性微粒包复一层长链的有机表
面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有 磁性的液体。其中磁性微粒尺寸通常小于10nm，呈超顺 磁性。
磁性纳米材料的制备及其应用探究
磁性纳米材料的制备及其应用探究磁性纳米材料是一种具有特殊性质的纳米材料，具有广泛的应用前景。
本文将从磁性纳米材料的制备到应用进行探究。
一、磁性纳米材料的制备方法纳米材料是指晶粒尺寸在1～100纳米的材料，具有独特的物理和化学性质。
磁性纳米材料是指具有磁性的纳米材料。
磁性纳米材料的制备方法主要有以下几种。
1.溶胶凝胶法：将适量的金属离子添加到有机或无机溶液中，生成溶胶。
通过加热或溶剂蒸发使溶胶凝胶化，得到固体凝胶。
将固体凝胶进行烧结，制备出具有磁性的纳米粉末。
2.化学共沉淀法：将适量的金属离子混合，加入沉淀剂，进行共沉淀。
将共沉淀产物进行洗涤、干燥、烧结，制备出具有磁性的纳米粉末。
3.机械球磨法：将原材料加入球磨罐内，经过高速摩擦削切，制备出具有磁性的纳米粉末。
以上三种方法都能制备出磁性纳米材料，但每种方法都有其适用性和限制性。
因此，在制备磁性纳米材料时，需要选择合适的方法。
二、磁性纳米材料的应用磁性纳米材料具有独特的磁性和表面效应，具有广泛的应用前景。
以下为磁性纳米材料的几个应用领域。
1.生物医学领域：磁性纳米材料在生物医学领域中得到了广泛应用。
例如用于磁性共振成像（MRI）对患者进行检查，用于癌症的诊断和治疗，用于药物的传输和释放等。
2.环境治理领域：磁性纳米材料可以用于水处理、空气净化、土壤修复等方面。
例如可以用于去除含有重金属的水中的重金属离子，可以用于治理空气中的VOCs 等。
3.能源领域：磁性纳米材料在能源领域中也有应用。
例如可以用于制备高性能的磁性材料，可以用于制备高密度的磁存储器，可以用于制备高效的充电器等。
4.化学领域：磁性纳米材料可以用于催化剂的制备、分离技术、电子器件的制备等领域。
例如可以用于制备高效的氧化催化剂，可以用于制备高精度的纳米线等。
以上只是磁性纳米材料应用领域的一部分，随着科学技术的进步，磁性纳米材料的应用前景将变得越来越广泛。
结语：本文从磁性纳米材料的制备到应用进行探究。
磁性纳米材料
• 尺寸K越大，退磁能越高。为降低能量，材料必然 分裂成磁畴.
临界尺寸
• 两个畴之间 的畴壁过渡区，磁矩必然偏离易轴，相邻 磁矩也不再平行，由此产生的畴壁能将介人总能量 的 平衡。180°畴壁的畴壁能密度
K1是各向异性常数，A,表示约化后的交换积分 • 令单畴的退磁能与分成两个磁畴的畴壁能、退磁能之和 相等，可得单畴临界尺寸Rc
• 粒子要表现出超顺磁性的临界尺寸V。 • 对于T =100 K时K = 107J/m3的材料，当尺寸为6. 3 nm 时粒子的弛豫时间t=10-1s， 而尺寸为6. 8 nm时，r=10 s；尺寸到7. 6 nm时r= 105s(即一天！）。由此可见，表 现出超顺 磁性的尺度范围是很窄的。 • 室温下呈现出超顺磁性的材料尺寸是：球形铁12 nm， 椭球铁3 nm,六角密积钴4 nm, 面心立方钴14 nm。 • 如果测量采 集数据的时间tm<t,就观察不到热起伏效果， 表现为通常的单畴，只有当tm>t时才可能观 察到超顺 磁性. • 对于直流磁测量，tm约为100 s，由tm=t得发生超顺磁 性的条件为 KV/kBTb = 25,Tb即截止温度。 • 对于穆斯堡尔谱测量tm约为10 -8s，相应的截止温度由式 决定。
2.3交换作用
• 交换作用（exchange interaction)是全同微观 多粒子系统里粒子间的一种等效相互作 用。 它 • 反映了全同粒子的不可分辨性，纯属量子效应， 没有与之对应的经典概念。 • 两种不同的磁性材料密切接触或被一个足够薄 的层隔开时，两种材料中的磁矩由于交 换作 用互相影响，造成磁矩的特殊方向的取向。这 种现象称作交换耦合（exchange coupling)。
• 对于超顺磁性粒子的胶体悬浊液，粒子间只有弱的静磁作 用和范德瓦尔斯力，热运动既可使粒子内磁化矢量克服磁 各向异性能的位垒而旋转，还可使粒子作整体运动，这就 是磁性液体。 • 热运动能kT使体积为V的粒子磁矩Ms越过各向异性常数为K 的势垒的几率为 p=exp(-KV/kBT)，即原来一致磁化的粒子 集合体，经过足够长的时间可衰减到剩磁为零，其弛豫时 间为t= (1/f0)exp( KV/kBT)，频率因子f0= 109S-1。 • 当粒子尺寸V固定时，粒子只有在某个临界温度Tb 之上才能 表现为超顺磁性，称为截止温度（blockmg temperature) 。 • 当测量所需要时间 tm大于颗粒磁矩弛豫时间时，测量所得 磁矩的时间平均值为零，系统表现出超顺磁性。
磁性纳米材料的合成与应用研究进展
磁性纳米材料的合成与应用研究进展一、磁性纳米材料的合成方法1、化学共沉淀法化学共沉淀法是制备磁性纳米材料最常用的方法之一。
该方法是将含有铁离子和亚铁离子的溶液混合，在一定的条件下加入沉淀剂，使铁离子和亚铁离子共同沉淀，形成磁性纳米颗粒。
这种方法操作简单、成本低，但所得纳米颗粒的粒径分布较宽，且容易团聚。
2、水热法水热法是在高温高压的水溶液中进行反应，合成磁性纳米材料。
通过控制反应条件，如温度、压力、反应时间和溶液的酸碱度等，可以得到粒径均匀、结晶度高的磁性纳米颗粒。
水热法合成的磁性纳米材料具有良好的磁性能和稳定性。
3、热分解法热分解法通常以有机金属化合物为前驱体，在高温下分解得到磁性纳米颗粒。
这种方法可以精确控制纳米颗粒的尺寸和形状，但反应条件较为苛刻，需要在惰性气氛中进行。
4、微乳液法微乳液法是利用微乳液滴作为微反应器，在其中进行化学反应生成磁性纳米颗粒。
该方法可以制备出粒径小且分布均匀的纳米颗粒，但产率相对较低。
5、溶胶凝胶法溶胶凝胶法是先将金属醇盐或无机盐溶液转化为溶胶，然后通过凝胶化过程形成固体凝胶，最后经过热处理得到磁性纳米材料。
这种方法可以在分子水平上对材料进行均匀混合，但合成过程较为复杂。
二、磁性纳米材料的应用1、生物医学领域（1）磁共振成像（MRI）造影剂磁性纳米材料作为 MRI 造影剂，可以显著提高成像的对比度和分辨率，帮助医生更准确地诊断疾病。
超顺磁性氧化铁纳米颗粒是目前应用最广泛的 MRI 造影剂之一。
（2）药物载体磁性纳米材料可以作为药物载体，实现药物的靶向输送。
通过在外加磁场的引导下，将载药纳米颗粒定向输送到病变部位，提高药物的治疗效果，同时降低药物对正常组织的毒副作用。
（3）磁热疗利用磁性纳米材料在交变磁场中的产热效应，进行肿瘤的磁热疗。
当磁性纳米颗粒聚集在肿瘤部位时，施加交变磁场，使纳米颗粒产生局部高温，从而杀死肿瘤细胞。
2、环境保护领域（1）废水处理磁性纳米材料可以用于去除废水中的重金属离子和有机污染物。
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磁性纳米材料
磁性纳米材料具有广泛的应用，已成为当今材料科学领域的研究热点之一。
磁性纳米材料与常规的磁性材料不同，主要原因是其与磁性相关的特征物理量也是处于纳米量级，如超顺磁性临界尺寸、磁交换作用长度等大致处于1-100 nm量级。
近年来，磁性纳米材料在催化、环境保护、航空航天、生物工程/生物医药、核磁成像等领域引起了科研工作者的广泛兴趣。
纳米材料因其小尺寸效应和表面效应，使得磁性纳米材料表现出不同于常规磁性材料的性质。
这是因为与磁性相关的特征物理参数恰好处于纳米量级，例如，磁单畴尺寸、超顺磁性临界尺寸等大致都处于纳米量级。
1 磁性纳米材料分类
常用的磁性材料可分为三类：第一类为单体，如单纯的铁、钴、镍等；第二类为合金，如铁镍合金、铁铝合金等；第三类为氧化物，如氧化钴、四氧化三铁等。
这其中，用的最多的是四氧化三铁(Fe304)，因为它具有粒径小、灵敏度高、毒性低、性能稳定、原材料易得等优势。
随着纳米材料科学与技术的发展，磁性Fe304纳米材料的应用开发越发引起人们的关注，特别是在生物医学领域的应用潜力巨大。
2 磁性纳米材料的特性
当磁性材料粒径小到一定值时，它的磁学性质会发生很大变化。
磁性纳米材料通常包括纳米晶软磁材料、纳米晶永磁材料，室温下即可呈现为超顺磁性的磁性纳米粒子。
纳米晶软磁材料主要应用于变压器和电磁屏蔽等领域；纳米晶永磁材料主要用于信息记录、磁致冷、微电动机等领域；具有超顺磁性的磁性纳米粒子应用较为广泛，例如，环境保护、生物医学、磁性分离、锂离子电池、磁流体及磁光晶体等领域。
与磁性相关的单畴临界尺寸和超顺磁临界尺寸等特征物理长度均处于纳米数量级，而通过合成磁性纳米粒子的尺寸与这些特征的临界尺寸相当，因此磁性纳米粒子可以表现出不同于其它磁性材料的磁学性质。
2.1 单磁畴
在强磁性材料中，由于材料体相的交换能、反磁场能、磁弹性能等各种能量的相互作用，使得材料体相被分成许多磁矩规则排列的小室(约10-14m3)，这些小室就被称为磁畴。
多磁畴建立有个上限，因为在形成多畴时要消耗能量以形成畴壁。
因此，在大物体内有一个畴的最小尺寸，当粒子尺寸减小到畴的极限时，就形成单磁畴。
2.2 矫顽力
单磁畴纳米粒子没有可以移动的畴壁，因此单磁畴纳米粒子相对于块体材料有较大的矫顽力。
纳米材料与块体材料在磁畴结构上有很大的不同。
块体磁性材料由畴壁隔开的多磁畴
构成。
而纳米材料由一个单磁畴，不存在畴壁，去掉磁性需要反向的磁场，即具有较高的矫顽力。
2.3 超顺磁性
当低于居里温度时，在磁性纳米粒子随着粒径减小到单畴尺寸时，矫顽力达到最大值；而当低于单畴尺寸时，随着各向异性能也减少到与热运动能量相近时，矫顽力等于零时即为超顺磁尺寸的材料具有超顺磁性。
与传统的顺磁性物质相比，超顺磁性的磁性纳米粒子具有更大的磁矩和磁化率。
超顺磁性是指材料能够在外加磁场中被磁化，当外加磁场撤走后，材料就没有了剩余磁化强度，通常纳米材料的颗粒减小到一定的程度时，其矫顽力降低为零，没有了磁滞现象，表现出“超顺磁性”。
不同磁性材料进入超顺态临界尺寸如表1.1所示。
表1.1 磁性材料进入超顺磁状态时的临界尺寸
材料Fe Fe3O4ZnFe2O4CoFe2O4
Ds/nm 12.5 16 <13 10
2.4 居里温度
居里温度是物体磁性的重要参数。
当材料在铁磁性和顺磁性之间变化的温度即为居里温度，也就是说材料吸收热能后可以克服原子之间的耦合力。
磁性纳米粒子比块体磁性材料尺寸小的多，所以具有许多特性，这也导致其居里温度较块体磁性材料低，例如，在室温下Fe3O4纳米粒子尺寸小于20 nm时，即表现出超顺磁性。
居里温度Te是物质磁性的重要参数，通常是指磁性材料在铁磁性和超顺磁性转变的温度转折点，与交换积分Je成正比，并与原子构型和间距有关。
对于薄膜，理论与实验研究表明：随着铁磁厚度的减小，居里温度下降，对于纳米颗粒，由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米颗粒的磁性能发生变化，因此具有较低的居里温度。
Staduik等人曾报道过，当Ni 颗粒粒径为85 nm和9 nm时测量到的居里温度分别为623K和573K，均低于常规块体的居里温度631K。
2.5 磁化率
纳米颗粒的磁性与它所含的总电子数的奇偶有关，每个微粒的电子可以看成一个体系，电子数的宇称可为奇或偶。
一价金属的微粉，一半颗粒的宇称为奇，另一半为偶，两价金属的粒子的宇称为偶。
电子数为奇偶不同材料磁性则表现出不同温度特点。
电子数为奇的粒子集合体的磁化率遵从居里－外斯定律：χ=C/(T-TC)，电子数为偶数的系统，磁性纳米金属
的χ是常规金属的20倍。
纳米颗粒的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关。
纳米颗粒中的电子可以看成一个体系，电子数的数目可为奇数或偶数。
电子数为奇数的纳米颗粒集合体的磁化率（χ）服从居里外斯定律，χ=C/（T-Te），其中，C为居里常数，T为材料的温度，Te为材料的居里温度。
电子数为偶数的系统，χ∝k BT，它们在外界磁场中表现为超顺磁性。
磁性金属纳米颗粒的χ值是常规金属的20倍。