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.

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

Источники

Синтез химиков и физиков: магнитное притяжение
Наука в Сибири (sbras.info), 30/11/2017

Похожие новости

  • 08/10/2017

    Секреты картин и криминал: как ученые из России помогают британской полиции

    ​Сергей Казарян, профессор физической химии из Имперского колледжа Лондона, рассказал, как современные методы химии и физики позволяют вычислять преступников по химическим следам отпечатков пальцев, раскрывать фальшивки и изучать историю давно минувших дней.
    156
  • 26/07/2016

    Ученые СО РАН знают, как создать аэрогель

    ​Высокотехнологичные материалы, которые производят ученые новосибирского Академгородка, можно использовать не только в космических опытах или экспериментах на встречных пучках, но также в стеклопакетах и при теплоизоляции зданий.
    849
  • 03/07/2016

    В ИЯФ пройдет конференция по синхротронному и терагерцовому излучению

    ​С 4 по 8 июля 2016 в Институте ядерной физики СО РАН (ИЯФ СО РАН) состоится Международная конференция по генерации и использованию синхротронного и терагерцового излучения​, посвященная одному из самых "прикладных" направлений, представленных в институте.
    1479
  • 11/10/2016

    Ученые из ИК СО РАН приняли участие в Международной конференции «ХИМРЕАКТОР-22»

    ​ С 19 по 23 сентября Лондон принимал XXII Международную конференцию по химическим реакторам «Химреактор-22». В работе конференции приняли участие около 200 специалистов из более 30 стран. Широко известная химикам-каталитикам конференция «Химреактор» имеет давнюю историю.
    1390
  • 16/10/2017

    Директор ИК СО РАН академик Валерий Бухтияров о 13-м Европейском конгрессе по катализу: научные и ненаучные аспекты

    Крупнейший в Европе форум по катализу 13-й Европейский конгресс EuropaCat прошел с 27 по 31 августа во Флоренции, Италия. В работе конгресса приняла участие большая делегация Института катализа СО РАН.
    232
  • 10/10/2016

    В Крыму предлагают проводить испытания солнечных батарей

    ​​Фонд "Сколково" мог бы использовать морской экспериментальный полигон в Кацивели На Южном берегу Крыма для испытания нетрадиционных источников энергии. Об этом в Севастополе заявил академик РАН, научный руководитель Института катализа Валентин Пармон, выступая 7 октября на консультативном научном Совете "Сколково" в Севастопольском госуниверситете.
    635
  • 24/11/2016

    Дни Франции в Институте катализа СО РАН

    С 7 по 9 ноября 2016 года в Институте катализа состоялся очередной российско-французский семинар в рамках международного научного объединения «Каталитическая переработка биомассы в ценные продукты» (МНО «Биомасса» / GDRI "Biomass").
    855
  • 04/09/2016

    IV Молодёжная школа «Магнитный резонанс и магнитные явления в химической и биологической физике»

    ​С 4 по 8 сентября 2016 г. в новосибирском Академгородке пройдет IV Молодежная школа с международным участием "Магнитный резонанс и магнитные явления в химической и биологической физике".
    1328
  • 20/03/2017

    Институт катализа СО РАН и Лицей № 130 откроют совместную химическую лабораторию

    Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Лицей № 130 имени академика М.А. Лаврентьева откроют совместную химическую лабораторию. Учащиеся смогут со школьной скамьи получить опыт работы в настоящей лаборатории под руководством научных сотрудников, решая реальные исследовательские задачи.
    680
  • 13/07/2017

    Андрей Бочаров посетил филиал Института катализа СО РАН в Волгограде

    ​Губернатор Волгоградской области Андрей Бочаров в ходе рабочей поездки на площадку химического парка "Каустик" посетил Волгоградский филиал Института катализа имени Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН.
    333