超順磁顆粒（一般小于20nm）廣泛存在于環(huán)境中和生物體內(nèi)，是巖石磁學、環(huán)境磁學、生物磁學、生物礦化以及生物醫(yī)學研究的熱點。由于超順磁顆粒的表面各向異性能增強，它們與大顆粒的磁學性質(zhì)有顯著的不同。成土作用所產(chǎn)生的超順磁顆粒被認為是中國黃土-古土壤序列中古土壤磁化率增強的重要原因。信鴿的喙部上皮中含有大量呈簇狀排列的細小磁鐵礦顆粒（2-5 nm）被認為是信鴿的磁受體，與信鴿的地磁導(dǎo)航機理密切相關(guān)。但是，由于自然界的樣品以及人工化學合成的樣品的粒徑分布寬，形狀不單一，很難避免顆粒間的磁相互作用，因而阻礙了超順磁顆粒的磁學性質(zhì)的認識及其應(yīng)用。
地質(zhì)地球所地球深部結(jié)構(gòu)與過程研究室生物地磁學小組博士研究生曹長乾在其導(dǎo)師潘永信研究員指導(dǎo)下，與合作者等人發(fā)揮了與生物學學科交叉的優(yōu)勢，利用重組人源鐵蛋白為模板，依據(jù)人體內(nèi)鐵蛋白的生物礦化原理成功仿生合成一種由蛋白殼包裹的納米磁性顆粒—磁性重組人鐵蛋白，并對其進行詳細的低溫巖石磁學和透射電鏡研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）所合成的磁性重組人鐵蛋白具有單分散性、形狀單一、粒度分布很窄，由蛋白殼和亞鐵磁性鐵核兩部分組成，其鐵核成分為磁鐵礦或者磁赤鐵礦，核的平均粒徑大小為3.9 ± 1.1 nm；（2）所合成的磁性重組人鐵蛋白不存在磁相互作用，由單軸各向異性占主導(dǎo)，是超順磁學理論和實驗研究的理想模型；（3）利用磁性重組人鐵蛋白樣品首次計算出了尼爾理論對于超順磁學的最基本參數(shù)：指數(shù)前因子ƒ0 = (9.2± 7.9) × 1010 Hz，有效各向異性能常數(shù)Keff = 1.2 × 105 J/m3，表面各向異性能 Ks = 6.5 × 10-2 erg/cm2，豐富了基礎(chǔ)巖石磁學理論。
此外，由于這種仿生合成的磁性重組人鐵蛋白具有類似于人體中的鐵蛋白殼，而鐵核又是磁性強的亞鐵磁性礦物，具有生物相容性高和單分散的特性，因而可能在材料學和生物醫(yī)學中具有重要的應(yīng)用價值。例如，它們在生物醫(yī)學中可以用于癌癥的磁靶向治療、癌癥的磁熱療、磁共振顯影對比劑、磁分離和純化等領(lǐng)域。目前，該項研究成果已申請兩項發(fā)明專利（申請?zhí)枺?00910244505.1，一種單分散性磁性人鐵蛋白的制備方法；申請?zhí)枺?01010034208.7，一種從生物組織或工程菌中分離純化鐵蛋白的方法）。
該項研究成果發(fā)表在近期出版的Journal of Geophysical Research(Cao et al.Magnetic characterization of noninteracting, randomly oriented, nanometer-scale ferrimagnetic particles.Journal of Geophysical Research, 2010, 115, B07103, doi:10.1029/2009JB006855)。