Сегодня - 23.10.2018

Синтез химиков и физиков: магнитное притяжение

30 ноября 2017

За одной написанной химической формулой может скрываться сразу несколько различных веществ и структур. Так, оксид железа имеет ряд фаз, и только одна из них позволяет получать магнитные наночастицы для производства, например, более продуктивных жестких дисков. Этими технологиями сибирские ученые занимаются сообща: красноярские физики и новосибирские химики не первый год сотрудничают в данном направлении.

 

В рамках исследования взаимодействуют красноярский Институт физики им. Л. В. Киренского ФИЦ Красноярский научный центр СО РАН и новосибирский Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН. Работа выполняется при поддержке Российского научного фонда (грант № 17-12-01111). 

 
Существует множество соединений железа с кислородом (оксидов), имеющих разное содержание данных элементов. У некоторых же формула одинаковая, а вот структура отличается — атомы расположены иначе: например, у Fe2O3. Подобные фазы вещества для дифференциации обозначаются древнегреческими буквами. Сибирские ученые исследуют одну из фаз — эпсилон (ε)-Fe2O3, которая была впервые синтезирована в ИК СО РАН в 1998 году. В конце прошлого столетия на полученный оксид не обратили особого внимания, и только спустя 10 лет химики и физики начали сотрудничество: первые изучают синтез и структуру, вторые — магнитные свойства.
 
— Эпсилон-Fe2O3 оказался уникальным по коэрцитивной силе: под ней понимается магнитное поле, которое необходимо приложить, чтобы перемагнитить вещество, — поменять северный и южный полюса, — рассказывает директор ИФ ФИЦ КНЦ СО РАН доктор физико-математических наук Дмитрий Александрович Балаев. — На этом принципе основана вся магнитная память: если полюса меняются местами, мы фактически перезаписываем информацию — например, стерев и что-то снова внеся на жесткий диск. На данный момент практически нет материалов, которые показывают столь высокую коэрцитивную силу при комнатной температуре, причем ε-Fe2O3 весьма недорогой. 
 
Сибирские образцы ε-Fe2O3 ученые синтезируют без примесей других фаз оксида железа: на схожих материалах — том же гематите — такой большой коэрцитивной силы не достичь. Наночастицы ε-Fe2O3 получают на поверхности носителя — они точечно распределены по силикагелю (SiO2): высушенному гелю, состоящему из круглых гранул с большой удельной поверхностью. Использоваться может не только SiO2: главная характеристика — высокая пористость, чтобы без проблем впитывать и выпускать химические вещества.
 
Гистограмма распределения размеров частиц: (а) и (б) - изображения с микроскопа с высоким разрешением образца. (c) Распределение по размерам частицы e-Fe2O3 на носителе диоксида кремния, оцененная по данным микроскопии.
 
— Задача химиков — преобразовывать свойства материалов, меняя их структуру, — поясняет научный сотрудник ИК СО РАН кандидат физико-математических наук Станислав Сергеевич Якушкин. — Для этого есть стандартные способы: если мы хотим сладкий чай, то сыплем сахар, нужно активное вещество — добавляем больше, например, кислоты. Второй вариант — благодаря различным условиям делать из тех же атомов что-то другое: в этом и заключается разница между фазами, в частности, Fe2O3. Чтобы лучше понимать структуру ε-Fe2O3, мы продолжаем изучать процесс синтеза наночастиц, условия их образования. Например, если отправить в хроматограф вино, то его состав станет точно известен. Однако знание одних лишь составляющих не поможет сделать напиток: человек не просто собирает виноград, но и перерабатывает его определенным образом. Примерно то же самое происходит и в химии: мы меняем определенные параметры синтеза и после скрупулезных процедур выясняем, что именно нужно сделать для получения частиц определенных размеров, свойств и т.д.  
 

Сейчас красноярские физики параллельно ищут способы получать частицы магнитожестких (с большой коэрцитивной силой) и магнитомягких материалов на основе наночастиц магнетита Fe3O4. Подобрав соответствующие условия, ученые могут наблюдать так называемый эффект магнитного смещения: когда перемагничивание вещества с определенной стороны дает бо́льшую коэрцитивную силу, нежели с другой. Если сместить петлю магнитного гистерезиса (мгновенный отклик на приложенное воздействие), определяющую коэрцитивную силу, это может улучшить работу тех же жестких дисков. Так что по-прежнему актуален поиск материалов, проявляющих такое смещение.

 
Другой особенностью частиц оказалась их магнитная структура: пока ученые не могут однозначно сказать, какой механизм отвечает за высокую коэрцитивную силу. Совместный проект двух сибирских институтов направлен в том числе на решение этой фундаментальной проблемы: красноярские физики проверят существующие идеи относительно магнитной структуры ε-Fe2O3 на экстремально малых частицах — от трех нанометров в диаметре.
 
— Мы проведем комплекс исследований, сотрудничая с коллегами за рубежом, — добавляет Дмитрий Балаев. — Прежде всего, проверим эффект Мёссбауэра — то есть спектры, по которым видно локальное окружение железа — на синхротроне в Гренобле. Нейтронные исследования тоже помогут расшифровать магнитную структуру — на таких маленьких частицах этого еще не делалось. Попутно мы решаем ряд практических задач: в поры силикагеля непросто поместить много наночастиц. Если попытаться сделать это простым увеличением содержания железа, то вместо ε-Fe2O3 мы получим наночастицы гематита или смесь обеих фаз. 
 
В этом году ученые поняли: главное, чтобы при синтезе наночастицы были пространственно разделены между собой — тогда фаза получится «чистой». Сейчас специалисты ищут оптимальную концентрацию, чтобы сделать материалы на основе ε-Fe2O3 еще «магнитнее» — это даст больше возможностей для их применения в будущем. 
 
Алёна Литвиненко
 
Фото предоставлено исследователями
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (4 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus