Ученые из Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Института химии и химической технологии СО РАН и Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН применили новый метод для синтеза железо-диспрозиевого граната Dy3Fe5O12.

Магнитные материалы подобного класса используются в микроволновой и магнитно-фотонной технике. Железо-диспрозиевый гранат мало изучен и может обладать ранее неизвестными свойствами. Статья опубликована в журнале Materials Science and Engineering.

Несмотря на то, что метод анионообменного осаждения известен с 60–70-х годов XX века, его применяли только для синтеза гидроксидов алюминия, хрома (III), железа (III) и индия (III) и некоторых других соединений. За последующие 40 лет изучение анионообменного синтеза заметно не продвинулось, и современных публикаций на эту тему практически нет. Группа сибирских учёных первой использовала анионит для получения сложных оксидных систем, до этого подобных исследований никто не проводил. Данная работа — одна из серии публикаций группы учёных из СФУ и Института химии СО РАН.

"Наша лаборатория на протяжении двух десятков лет занимается исследованием метода анионообменного осаждения применительно к различным системам, и сейчас с его помощью получены материалы с магнитными свойствами",
— рассказала профессор кафедры неорганической химии СФУ, доктор химических наук Светлана Сайкова.

Метод анионнообменного осаждения — один из методов «мокрой» химии. Реакция проводится при комнатной температуре и атмосферном давлении. Продукт осаждают из смеси водных растворов солей, но вместо традиционных осадителей (щелочи или аммиака) используют высокомолекулярное соединение — анионит — органическую смолу, в которую переходит анион из исходных солей. При традиционном осаждении металлов зачастую образуются аморфные рыхлые осадки (то есть неструктурированные мелкодисперсные частицы), которые трудно освободить от соосаждённого электролита. Использование анионитов позволяет полностью избежать загрязнения осадка посторонними катионами, а также благодаря переходу аниона исходной соли в фазу ионита, оказалось возможным выделить осадки практически чистых гидроксидов. Кроме того, ионообменный синтез протекает с хорошим выходом, поскольку ионы, первоначально содержащиеся в растворе, связываются в слабодиссоциирующее (слаборастворимое) соединение или переходят в фазу сорбента. В результате, химическое равновесие смещается в сторону удаления ионов.

Ещё одно преимущество метода заключается в том, что он позволяет получать продукт в контролируемых условиях, без использования высоких температур и агрессивных веществ. Все продукты реакции образуются одновременно, что облегчает их дальнейшее взаимодействие.

Возможность оптимизировать соотношения реагентов, выбирать ионообменную смолу, при необходимости вводить в систему вещества, которые регулируют скорость осаждения, позволяет проводить синтез при строго заданном значении pH. Это важно если задача заключается в том, чтобы получить продукт с определёнными свойствами, например, метастабильные или активные фазы, что невозможно при обычном осаждении щелочью вследствие эффекта локального пересыщения.

Этот метод является более удобным, дешёвым, и контролируемым, чем распространённый сейчас твёрдофазный метод синтеза гранатов, с помощью которого в настоящее время получено большинство известных соединений со структурой граната. Тщательно перетёртые смеси определённого состава спекаются на воздухе или в вакууме при различных температурах и времени выдержки в зависимости от исходного состава. Затем, в зависимости от необходимых свойств конечного продукта, подбирается значение температуры в диапазоне 1300–1350 °С. Более того, перетирание и прокаливание проводятся неоднократно для достижения однородного состава.

Осадок, полученный в ходе анионнообменного осаждения, также подвергают термообработке, но это требует температур 700–900 °С и меньшей продолжительности спекания: за счёт того, что осаждение всех продуктов происходит одновременно, взаимодействие компонентов начинается уже на стадии реакции, а дальнейшая термическая обработка просто увеличивает скорость этого взаимодействия. Материалы, получаемые таким образом, вследствие высокой активности прекурсоров (веществ, участвующих в реакции), находящихся в наноразмерном состоянии, могут обладать необычными свойствами.

С помощью этого метода учёные синтезировали вещество с формулой Dy3Fe5O12 — железо-диспрозиевый гранат. Физические методы показали, что полученные осадки состоят из нанокристаллов размером 20–30 нм, но имеют кристаллическую решётку. При исследовании магнитных свойств граната использован метод магнитно-кругового дихроизма.

Интерес к этим веществам основан на большом разнообразии физических свойств граната. Например, природный железо-алюминиевый гранат (Fe3Al2Si3O12), альмандин, за счёт ярко-малинового цвета и большой твёрдости часто используется в ювелирных украшениях. Многие из гранатов обладают магнитными свойствами. В частности, распространены и достаточно хорошо изучены алюмо-иттриевый (Y3Al5O12) и железо-иттриевый (Y3Fe5O12) гранаты. Они широко используются в качестве компонентов микроволновых приборов, циркуляторов, фазовращателей, магнитофотонных устройств, изоляторов. Нанокристаллы этих материалов играют большую роль в физике и технике магнитных материалов. Авторы изучили магнитные свойства железо-диспрозиевого граната и выяснили, как они изменяются при замещении иттрия на диспрозий. В планах группы большая работа по исследованию гранатов, в составе которых иттрий замещён на другие редкоземельные элементы.

Похожие новости

  • 16/05/2017

    Ученые СФУ разработали наиболее эффективный материал для аккумулирования водорода

    Красноярские ученые получили новый материал для хранения водорода, сообщила пресс-служба Сибирского федерального университета (СФУ). Материал на основе гидрида магния может хранить массу водорода, составляющую около 7% его собственной массы, и это рекордное значение емкости для всех аналогичных материалов.
    414
  • 21/04/2017

    Красноярские физики получили нанодисперсные порошки для создания аккумуляторов водорода

    Ученые Сибирского федерального университета и Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН разработали технологию синтеза нанодисперсных порошков магния, которые могут стать перспективным материалом для изготовления аккумуляторов водорода для автомобильного транспорта.
    728
  • 19/09/2017

    Квантовые симуляторы: как ученые создают искусственные миры

    ​Представьте, что вы хотите рассмотреть быструю, но хрупкую бабочку. Пока она порхает, детально изучить ее довольно трудно, поэтому нужно взять ее в руки. Но как только она оказалась в ваших ладонях, крылышки смялись и потеряли цвет.
    279
  • 14/11/2016

    Ученые из Красноярска сделают алюминиевое производство более экологичным

    ​Ученые СФУ совместно с коллегами из Института химии и химической технологии СО РАН ведут исследования по созданию нового материала - автоклавного угольного пека для производства электродов. По словам технического директора РУСАЛа Виктора Манна, осуществляющего непосредственное руководство работой, внедрение "экологичного" пека на алюминиевых заводах позволит значительно улучшить состояние воздуха, достигнуть нормативных показателей по выбросам вредных веществ в окружающую среду.
    970
  • 19/01/2016

    Новая технология ученых СФУ увеличит скорость литья на 85%

    ​В Сибирском федеральном университете завершили масштабные испытания инновационной технологии перемешивания жидкой сердцевины кристаллизующегося слитка - LHMS (Liquid Heart Metal Stirrer). Первый этап реализации технологии LHMS, предназначенной для производителей и переработчиков алюминия и его сплавов, включал в себя разработку оборудования и его поставку на завод ведущего европейского производителя (Швейцария) конечной продукции из алюминиевых сплавов для машиностроения.
    768
  • 15/12/2017

    Химики создали новый класс люминофоров для электронной промышленности

    ​Международный коллектив химиков из Китая, России и Японии синтезировал новое кристаллическое вещество на основе оксидов редкоземельных металлов, а также описал его структуру и свойства. Расшифровка рентгенограммы нового соединение установила, что он относится к новому, ранее неизвестному классу.
    176
  • 16/09/2016

    Красноярские ученые разрабатывают аппаратуру для автоматизации космических испытаний

    Ученые и специалисты Сибирского федерального университета разработали программно-аппаратный комплекс, предназначенный для проверки бортового оборудования космических аппаратов в процессе изготовления и проведения испытаний.
    929
  • 06/04/2016

    Красноярские ученые создали новый ювелирный сплав

    ​Группа учёных-металлургов Сибирского федерального университета под руководством профессора Николая Довженко создала гипоаллергенный ювелирный сплав на основе палладия 850 пробы с добавками золота, родия и серебра.
    733
  • 12/05/2016

    Российские физики смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах

    ​Физики из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, Московского физико-технического института и Сибирского федерального университета смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах, на основе которых можно создать компактные и высокочувствительные датчики.
    862
  • 14/12/2017

    Ученые СФУ установили, что у Марса не было шанса стать обитаемым

    ​Профессор Сибирского федерального университета (СФУ) Николай Еркаев и его зарубежные коллеги из Австрии и Германии считают, что на Марсе никогда не было жизни и возникнуть она там не могла.К такому выводу они пришли, построив модель формирования планет, обладающих сравнительно небольшой массой.
    134