• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
20.07.2023
ФизТех
1 087

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
3 апреля
Елена

Международная группа исследователей из Китая, США и Германии разработала метаматериал с выдающейся механической емкостью хранения энергии. Придать ему уникальные характеристики удалось за счет структуры — скрученных гибких стержней, деформирующихся по спирали.

11 часов назад
Любовь

Анализ около 700 звуков, издаваемых дикими бонобо (Pan paniscus), показал, что они умеют «собирать» новые смысловые сообщения из отдельных звуков подобно тому, как люди складывают слова в предложения.

Позавчера, 14:31
Березин Александр

Международная группа ученых попробовала определить, насколько сократилось население Европы 12,7 тысячи лет назад, когда на планете внезапно наступило тысячелетнее похолодание. Оказалось, население континента какое-то время составляло считаные тысячи человек.

31 марта
Татьяна

Два ключевых события сыграли решающую роль в формировании генетического профиля современных европейских народов. Первое связано с приходом ранних фермеров из Анатолии примерно восемь тысяч лет назад, второе — масштабная миграция на запад носителей ямной степной культуры, начавшаяся пять тысяч лет назад. Однако ученые видят множество отличий от общей картины в разных регионах. В новой работе они проанализировали ДНК древних жителей самого северо-запада Европы и обнаружили более тесную связь с охотниками-собирателями, чем где бы то ни было.

1 апреля
Мария Азарова

Ученые из Австралии исследовали влияние сексуальной активности, а именно — самоудовлетворения и полового контакта с партнером — на объективные и субъективные параметры сна, в том числе на мотивацию поутру и готовность к новому дню.

31 марта
Игорь Байдов

В архивах английского поместья столетиями пылилась ничем не примечательная книга учета XVI века. Никто не подозревал, что внутри ее переплета скрываются фрагменты пергамента с историями, которые переписывали монахи семь веков назад. Тайна раскрылась, когда архивариус заметил странные символы на обложке. Так началось расследование, объединившее разных ученых. Исследователи три года пытались прочитать текст, не прикасаясь к нему. Теперь они представили результат своего труда — мир получил два ранее неизвестных эпизода о волшебнике Мерлине, короле Артуре и рыцаре Гавейне.

6 марта
Юлия Трепалина

В двойственных, или обратимых, изображениях зритель может увидеть разные объекты в зависимости от того, на каких деталях концентрируется его внимание. Среди известных примеров таких рисунков — иллюзия «кролик-утка», сочетающая двух животных, и обратимая ваза (или ваза Рубина), которая может казаться двумя силуэтами лиц, если сосредоточиться на фоне. В соцсетях и популярных СМИ часто публикуют подобные картинки, утверждая, что по тому, какое изображение человек видит в первую очередь, можно судить о его личностных чертах и особенностях мышления. Двое психологов из Великобритании недавно проверили, так ли это на самом деле.

15 марта
Юлия Трепалина

Когда пара расстается, многие люди продолжают испытывать чувства к своим бывшим. Если разрыв произошел по инициативе другой стороны и отношения длились много лет, полностью «забыть» еще недавно близкого человека может быть непросто. Существует мнение, что и после расставания привязанность к экс-партнерам в какой-то мере сохраняется. Впрочем, согласно другой точке зрения, со временем эта эмоциональная связь ослабевает и утрачивается. Разобраться, как происходит на самом деле и сколько времени может потребоваться на полный эмоциональный разрыв с бывшими возлюбленными, взялись психологи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (США).

18 марта
Илья

Масштабный анализ геномов показал, что вид Homo sapiens возник в результате смешения двух древних популяций. Они разделились полтора миллиона лет назад, а затем воссоединились до расселения по миру.

[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
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
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно