Nature：磁铁矿在地学中的应用

磁铁矿是二价铁和三价铁的混合氧化物，其磁性、硬度、密度和催化性能相结合，产生了其重要性。大约20亿年前，当光合作用者进化并产生足够的氧气与溶解在地球以前缺氧的海洋中的铁反应时，形成了大量的磁铁矿矿床。直到最近，人们还认为富氧显生宙条件下的磁铁矿形成与非常高温的火成岩和变质岩环境有关，在这些环境中，微观磁铁矿在岩石中结晶。然而，事实证明，纳米级磁铁矿晶体在土壤、动物和细菌中大量形成，也作为颗粒空气污染物从车辆、煤炭燃烧以及钢铁和水泥制造等行业排放。

岩石和沉积物中的磁铁矿是地球磁场过去变化的自然记录者。随着熔岩或岩浆的冷却，以及沉积物层的不断积累，其中的磁铁矿晶体与当时的地磁场对齐。这些古地磁记录使科学家能够识别磁反转（磁极从北向南翻转时），绘制地球构造板块的运动图，并确定岩石和沉积物的年代。磁铁矿还记录了过去的气候条件，如中国著名的黄土高原。在这里，化石土层含有不同数量的纳米级磁铁矿，这些磁铁矿是由降雨和氧化还原变化介导的反应形成的，可以追溯到300多万年的季风降雨变化。

自公元前300年左右以来，被雷击磁化的地质磁铁矿一直是人类的重要导航工具。然而，从蜜蜂到海豚，细菌和动物已经在其细胞内制造了精确大小（约50纳米）的磁铁矿晶体，这些晶体与地球磁场相互作用了100多万年。事实上，人类大脑中也含有数百万种类似纯度的纳米级磁铁矿晶体，这些晶体可能对地球磁场具有一定的敏感性4。然而，过多的磁铁矿会危及航行；“希望号”在能见度低的情况下失事，当船驶过富含磁铁矿的玄武岩时，罗盘读数发生偏转，转向陆地。

如今，人类对富含磁铁矿的岩石的使用多种多样，遍布生活中的每个角落，但主要是用于炼钢的铁矿石，以及用作制造氨的催化剂中的铁。磁铁矿的硬度（莫氏硬度为5–6.5）使其成为一种有价值的磨料，例如用于制动片和金刚砂板。长期以来，这种特性一直被海洋软体动物所利用，它们长出镶有磁铁矿的牙齿，在岩石表面捕食藻类。由于其密度高（约5吨/立方米），磁铁矿被添加到高强度水泥中。磁铁矿微粒和纳米粒子的新用途正在激增；例如，在磁性引导的药物递送中，以及从水中吸附污染物（例如砷）。

然而，磁铁矿的效用也有负面影响。快速、大规模城市化的一个后果是磁铁矿不受控制地释放到大气中。暴露于颗粒空气污染与包括阿尔茨海默病在内的心肺疾病和神经退行性疾病之间的统计联系已经确定。在人脑、心脏、血液和胎盘细胞中发现了独特的圆形磁铁矿纳米颗粒，以及铂和铝等外来金属。这些纳米粒子与城市空气污染中发现的纳米粒子完全匹配。这种催化、有毒、富含金属的纳米颗粒进入主要器官是一种生物学上合理的途径，可以观察到颗粒物空气污染暴露与神经退行性疾病和心血管疾病发病率不断上升之间的联系。因此，尽管磁铁矿有多种用途，但其在社会中的普遍性需要仔细评估，并可能采取缓解措施，以防止任何不利的健康影响。