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

  • 24/09/2020

    Сибирские ученые создали полиэтиленовый «бронежилет» для радиолокационного оборудования

    Сибирские ученые модернизировали полиэтилен при помощи ультразвука и углеродных нанотрубок. В отличие от изначального материала, полученный композит обладает высокой диэлектрической проницаемостью и большей износостойкостью.
    1100
  • 01/02/2021

    ИК СО РАН запустил еженедельный онлайн-семинар для будущих пользователей ЦКП «СКИФ»

    Лаборатория перспективных синхротронных методов исследования (ЛПСМИ) Института катализа СО РАН провела первую серию семинаров для объединения потенциальных отечественных пользователей ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» и обмена опытом по использованию синхротронного излучения (СИ) в различных областях науки.
    1305
  • 06/08/2020

    Из самой маленькой в мире светящейся молекулы сделали тест на клещевой энцефалит

    ​​Светящийся белок, выделенный из морского рачка Metridia longa, самый маленький из открытых биолюминесцентных ферментов, был впервые использован учеными в тестах на клещевой энцефалит. Одного миллиграмма такого белка может хватить для ста тысяч точных анализов по определению наличия вируса клещевого энцефалита.
    1391
  • 17/07/2020

    СО РАН направляет в Арктику большую норильскую экспедицию

    ​​Группа ученых из Российской академии наук всесторонне изучит экологическую среду территории и представит предложения и рекомендации по наилучшим природосберегающим решениям для деятельности промышленных компаний в Арктическом регионе.
    5179
  • 24/12/2019

    Выбор РИА Новости: главные достижения российской науки 2019 года

    ​Ученые в России в нынешнем году получили знаковые результаты в самых разных областях – от астрономии до археологии, причем многие достижения имеют выходы на практическое применение. Примечательно, что существенную лепту здесь внесли не только признанные научные центры, но и ведущие отечественные вузы.
    3233
  • 24/04/2018

    Как сделать жилье более доступным и экологичным?

    ​​Дом - это что-то теплое, уютное и, на первый взгляд - очень консервативное. Но на самом деле и строительство попевает за техническим прогрессом. Как сделать жилье более доступным, дешевым, экологичным? Мы создали краткий обзор тенденций и технологий будущего, которые появляются уже сейчас.
    2379
  • 01/09/2020

    Недостающее звено в отечественном катализе: рассказывает замиректора ИК СО РАН Вадим Яковлев

    Центр коллективного пользования «Опытное производство катализаторов» на базе Института катализа СО РАН станет местом, где будут развивать широкий спектр новых каталитических технологий, отрабатывать их у себя до опытного и опытно-промышленного уровня и потом масштабировать их на профильных предприятиях.
    1086
  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    2050
  • 21/01/2021

    Немецкие физики работают над детектором для коллайдера Супер С-тау фабрика

    ​Специалисты Гисенского университета имени Юстуса Либиха (Германия) участвуют в разработке одной из систем детектора для проекта электрон-позитронного коллайдера Супер С-тау фабрика Института ядерной физики им.
    821
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    7301