• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
20.07.2023, 13:01
ФизТех
1 089

Редкий оксид железа спекся в нанокерамику

❋ 4.5

Ученые из МФТИ и МГУ научились создавать нанокерамику из редкой модификации оксида железа III и изучили ее магнитные свойства. Она показала уникальную устойчивость к размагничиванию и хорошо поглощала электромагнитные волны крайне высоких частот. Благодаря этим свойствам материал можно применять в медицинской диагностике, современных сверхбыстрых телекоммуникационных системах и для детектирования электромагнитных волн.

Людмила Алябьева и Евгений Горбачев в лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ / ©Пресс-служба МФТИ / Автор: Ирина Мельникова

Исследование опубликовано в журнале Materials Horizons. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. Кристаллический оксид железа III (Fe2O3) может находиться в одной из четырех фаз, которые отличаются структурой и, как следствие, магнитными, термодинамическими и механическими свойствами. Эпсилон-фаза оксида железа обладает огромной коэрцитивной силой — ее трудно размагнитить внешним полем. Это свойство приближает эпсилон-оскид железа к редкоземельным магнитам, которые являются рекордсменами по магнитотвердости и применяются в авиационной и компьютерной технике. Этот материал безопасен для человека и хорошо поглощает терагерцовые частоты (что в тысячу раз выше СВЧ в наших микроволновках), а значит, материал можно использовать в высокоскоростной телекоммуникации и медицинской диагностике.

Однако в чистом виде его трудно и дорого синтезировать: требуются дорогие реагенты, а сам эпсилон-оксид может трансфомироваться в более устойчивый альфа-оксид железа. Впервые материал выделили токийские ученые в 2004 году, несмотря на то, что фаза известна с 1930-х годов. Процесс синтеза с тех пор не сильно изменился и может занимать несколько недель. В 2021 году научная группа ученых из МФТИ и МГУ придумала, как его сократить до нескольких часов. Они научились получать наночастицы эпсилон-оксида железа размерами от 7 до 30 нанометров, стабильные при комнатной температуре. Но для практического применения отдельные наночастицы не подходят, нужно создавать нанокерамику — цельный твердый материал, состоящий из многих наночастиц. Из нее можно вырезать нужных размеров фрагменты, чтобы затем использовать их в магнитных устройствах.

Людмила Алябьева, старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, рассказывает: «Эпсилон-фаза оксида железа наноразмерная и при этом обладает магнитными свойствами, превосходящими свойства дорогостоящих редкоземельных элементов. Например, сохраняет магнитный момент продолжительное время. Она имеет очень простой химический состав, не содержит токсичных элементов, поэтому ее производство и применение должны быть экологичными и крайне эффективными, но, к сожалению, до сих пор эта фаза не используется в промышленности, поскольку у нее сложный и экономически нецелесообразный метод синтеза».

В новой работе ученые синтезировали нанокерамику из эпсилон-оксида железа и изучили ее свойства: измерили коэрцитивную силу при различных температурах, построили спектр поглощения терагерцовых частот.

После синтеза наночастицы прессовали в таблетки, а затем нагревали до высокой температуры (от 600 до 1000) градусов Цельсия и выдерживали при ней в течение 30 минут. В результате частицы спекались в нанокерамику и при температурах ниже 800 градусов содержали не более двух процентов примесей альфа-оксида железа. Таким образом химики подобрали оптимальную температуру для создания нанокерамики.

Затем физики исследовали материал. Оказалось, что свойства нанокерамики даже лучше, чем у отдельных наночастиц. По-прежнему сохранялась гигантская коэрцитивная сила, а при низких температурах размагничивание происходило слабее, чем в наночастицах. Это связано с тем, что зерна (частицы) внутри нанокерамики взаимодействовали между собой, препятствуя разрушению магнитного порядка из-за тепловых колебаний (суперпарамагнетизм). Благодаря такой устойчивости материал можно использовать как магнитную пленку для записи информации. Частота спектра поглощения в терагерцовом диапазоне у нанокерамики повысилась на 10 процентов по сравнению с наночастицами.

Из этих спектроскопических данных исследователи впервые построили температурную зависимость магнитокристаллической анизотропии (показывает направления в кристалле, вдоль которых сложно или легко намагнитить / размагнитить материал) экспилон-оксида железа. При облучении материала терагерцовыми волнами в нем теоретически должны возникать спиновые токи — перемещение спинов по материалу. Ученые впервые рассчитали силу спиновых токов для эпсилон-оксида железа. Она оказалась в несколько раз выше, чем в материалах, которые обычно применяются для генерации перемещения спинов. Это открывает еще одно потенциальное применение эпсилон-фазы — детектирование электромагнитного излучения.

. Слева изображены отдельные наночастицы эпсилон-оксида железа, справа — нанокерамика. Масштаб белой линии — 50 нм / ©Пресс-служба МФТИ

Таким образом, получен простой и эффективный способ производства нанокерамики путем отжига наночастиц эпсилон-оксида железа. При этом магнитные свойства материала улучшаются, что открывает возможности для его использования в различных отраслях: от медицины до телекоммуникаций.

Евгений Горбачев, научный сотрудник МГУ, первый автор статьи, комментирует: «Начиная с 2004 года ученые концентрировались именно на исследовании функциональных свойств эпсилон-оксида железа и не особо задумывались по поводу технологических решений для промышленного метода получения фазы. Более того, кажется, интерес к этой фазе начинает уже пропадать, поскольку все ее самые интересные свойства изучили, скажем, в середине прошлого десятилетия. Мы же предложили сначала быстрый и удобный способ синтеза наночастиц, а затем и их консолидации в материал, которой уже можно непосредственно пощупать. Почему-то этого никто не сделал раньше. Так мы показали, что нанокерамику практически без примесей можно получать из эпсилон-оксида железа, и обнаружили, что при этом у материала происходит даже улучшение функциональных свойств». 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
4 июля, 11:27
НовГУ

Исследование НовГУ показало, что атлетическая гимнастика — один из самых эффективных способов борьбы с ожирением, в отличие, например, от бега. Тренировки с отягощениями не только помогают сжечь жир, но и укреплять мышцы, при этом щадя суставы и сердечно-сосудистую систему. Назван и оптимальный комплекс упражнений для таких людей: три силовые тренировки в неделю по 40–90 минут.

4 июля, 18:38
Evgenia Vavilova

Специалисты центра изучения недр «Геосфера» извлекают из образцов грунта все необходимые данные о действующих и перспективных месторождениях нефти. Рутинные операции с керном делегированы роботам. Умные помощники трудятся 24/7 и позволяют исследователям сосредоточиться на научных и технологических задачах.

4 июля, 10:17
ТГУ

Международная группа физиков из России (включая ученых ТГУ), Казахстана и Японии экспериментально зафиксировала необычное явление: стрела, движущаяся прямолинейно, оставляет за собой след в форме винтовой спирали. Это противоречит классическим представлениям, но было подтверждено в эксперименте с переходным излучением. Открытие меняет существующие взгляды на природу закрученного света и имеет значительные перспективы как для фундаментальных исследований, так и для прикладных технологий.

4 июля, 11:27
НовГУ

Исследование НовГУ показало, что атлетическая гимнастика — один из самых эффективных способов борьбы с ожирением, в отличие, например, от бега. Тренировки с отягощениями не только помогают сжечь жир, но и укреплять мышцы, при этом щадя суставы и сердечно-сосудистую систему. Назван и оптимальный комплекс упражнений для таких людей: три силовые тренировки в неделю по 40–90 минут.

2 июля, 11:17
Юлия Тарасова

Результаты эксперимента в США в будущем могут позволить добиться разрешения на использование отработанной конопли в качестве кормовой добавки в животноводстве.

4 июля, 18:38
Evgenia Vavilova

Специалисты центра изучения недр «Геосфера» извлекают из образцов грунта все необходимые данные о действующих и перспективных месторождениях нефти. Рутинные операции с керном делегированы роботам. Умные помощники трудятся 24/7 и позволяют исследователям сосредоточиться на научных и технологических задачах.

17 июня, 16:49
Адель Романова

Радиотелескопы уловили очень короткий сигнал, и по его характеристикам стало ясно, что он не может быть естественного происхождения. Астрономы пришли к выводу, что источник находился в околоземном пространстве — там, где уже более полувека летает «мертвый» аппарат NASA.

25 июня, 15:19
ФизТех

Группа российских ученых из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН и МФТИ провела детальное численное исследование источников шума, генерируемых крылом прототипа сверхзвукового бизнес-джета в режиме посадки. Эта работа, сочетающая передовые методы вычислительной гидродинамики и аэроакустики, впервые позволила с высокой точностью локализовать и охарактеризовать основные зоны шумообразования вблизи полноразмерной геометрии крыла модели прототипа сверхзвукового пассажирского самолета в посадочной конфигурации.

2 июля, 11:17
Юлия Тарасова

Результаты эксперимента в США в будущем могут позволить добиться разрешения на использование отработанной конопли в качестве кормовой добавки в животноводстве.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Закрыть
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно