​Ученые из Томского государственного университета и Института физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН получили методом лазерной абляции в воздухе наночастицы железа, а также изучили их свойства с помощью рентгеновской дифракции. Как им удалось показать, данный способ получения наночастиц прост и эффективен, а итоговый продукт пригоден для использования в биомедицине и промышленном катализе. Соответствующая статья опубликована в Applied Surface Science.

В настоящее время получение наночастиц методом импульсной лазерной абляции (обстрелом "сырья" лазерными импульсами, создающими наночастицы нужных размеров) является одним из ведущих способов их получения, так как это довольно простой одностадийный метод, что выгодно отличает его от более сложных многостадийных. Однако пока импульсная лазерная абляция в основном применяется к "полуфабрикатам" будущих наночастиц, находящихся в жидкой среде. Очень часто это создает сложности: наночастицы приходится "вынимать" из жидкости, например, с помощью ее выпаривания. Такие дополнительные процедуры изъятия наночастиц нередко приводят к изменению их параметров, что усложняет весь производственный процесс. Поэтому авторы новой работы решили получить наночастицы железа в воздушной среде, чтобы потом их было проще собрать и использовать в составе нужного нанокомпозита или коллоида.

Для формирования наночастиц использовался так называемый Nd: YAG лазер (белорусского производства) - твердотельный лазер с активной средой из алюмо-иттриевого граната (то, что в англоязычной литературе называют YAG, а в русской - Y3Al5O12), легированный ионами неодима. Длина волны, на которой работает такой лазер - 1 064 нанометра. Рабочая плотность обстрела мишени была выбрана в 400 мегаватт на квадратный сантиметр.

Мишень из железа размерами 40 на 40 на 5 миллиметров была размещена в цилиндрическом реакторе из кварцевого стекла с внутренним объемом в 565 кубических сантиметров, наполненного воздухом при обычном давлении. После обстрела материала мишени лазерными импульсами длительностью в 7 наносекунд и частотой 20 импульсов в секунду исследователи получили множество испарившихся в воздух камеры железных наночастиц. Большинство из них имели околосферическую форму и диаметр в 12−15 нанометров. Состав частиц варьировался - кроме магнетита, среди них были и частицы из нитрида железа (за счет реакции части азота воздуха с чистым железом мишени). Все образовавшиеся наночастицы подвергли четырем последовательным обжигам - нагреву и последующему охлаждению. В ходе обжигов состав и кристаллическая структура наночастиц заметно изменились - из магнетита они превратились в гематит.

Исследователи отмечают, что магнетитные наночастицы, полученные сразу после лазерной абляции, пригодны для использования в водных растворах. Они сохраняют ферромагнитные свойства при комнатной температуре и довольно высокую остаточную намагниченность, что позволяет использовать коллоиды из них в биомедицине, например, в составе активных магнитных жидкостей.

Магнитные жидкости применяются для целенаправленного разогрева области, куда была осуществлена их инъекция. Под действием индукции жидкость с ферромагнитными частицами быстро нагревается, что приводит к гибели ряда патогенов или мутировавших клеток (от возбудителей инфекции до раковых клеток). За счет магнитных свойств жидкости ее можно удерживать в заданном районе человеческого тела с помощью внешних магнитов. Интересно, что магнетиты вырабатываются и в человеческих тканях (например, в мозге, хотя их функции там до сих пор неизвестны), отсюда следует, что их токсичность для организма сама по себе не может быть большой.

Образующиеся же после отжига гематитовые наночастицы также могут представлять заметный практический интерес - известно, что они эффективны в качестве катализатора при крекинге нефти. Особо отмечается, что новый метод получения таких наночастиц (лазерной абляцией в воздухе) довольно прост и, в теории, легко подвергается масштабированию в плане объема производства.

Похожие новости

  • 28/07/2017

    Нестоличная наука: новгородские викинги, миниатюрный лазер и нейросеть-кардиолог

    ​​Робот-разведчик, древняя птица, рентгеновская линза и другие открытия и разработки российских ученых, сделанные вне Москвы и Санкт-Петербурга. Великий Новгород Уникальное кладбище X-XI веков обнаружила экспедиция Института археологии РАН при раскопках в центре Новгорода.
    642
  • 07/11/2016

    Сотрудник Красноярского филиала ИТ СО РАН стал победителем конкурса «Энергия молодости»

    ​Молодые ученые из Красноярска, Санкт-Петербурга и Томска получат гранты в размере 1 млн. рублей на продолжение своих научных исследований. Церемония награждения победителей пройдет 24 ноября в Москве в рамках пятого международного форума по энергоэффективности и энергосбережению.
    1469
  • 12/10/2016

    Томские ученые испытывают новые стекла для космических спутников

    ​Сотрудники НИИ ПММ ТГУ проводят испытания покрытий, созданных для защиты иллюминаторов, линз и зеркал космических аппаратов от эрозии. При помощи легкогазовой баллистической установки экспериментальные образцы обстреливают микрочастицами порошка железа со скоростью 5-8 километров в секунду.
    1484
  • 13/04/2018

    Дилатометр измерит деформации космических материалов в вакууме

    Ученые из Института физики им. Л.В. Киренского Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) разработали измерительную ячейку для исследования свойств материалов при температурах близких к абсолютному нулю.
    256
  • 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.
    364
  • 20/09/2018

    Элегаз и гелий подняли эффективность лазера на азоте

    ​Исследователи из Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, Томского государственного университета, Томского политехнического университета и Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники разработали новую модель для изучения накачки азотной рабочей среды для лазеров с наносекундными импульсами.
    100
  • 28/10/2016

    Большая наука Красноярска зарождалась в Институте физики им. Л. В. Киренского СО РАН

    В октябре этого года исполнилось 60 лет с момента появления в Красноярске Института физики СО РАН. Здесь работают люди, которые умеют опережать время… Из подвала пединститута История создания института связана с именем Леонида Васильевича Киренского.
    1151
  • 01/11/2017

    Сибирские ученые в составе международной группы по-новому объяснили левитацию капель над горячими поверхностями

    ​Ученые из Новосибирского госуниверситета, Томского политехнического университета и Южного методистского университета США разработали новую модель для объяснения поведения капель над горячими жидкостями.
    634
  • 14/01/2016

    Наноструктурные агенты - для новой противораковой терапии

    ​Международная группа исследователей из России, Словении, Германии, США и Израиля во главе с учеными из Института физики прочности и материаловедения (ИФМП) СО РАН и Томского политехнического университета (ТПУ) уже несколько лет успешно работает в области применения нанотехнологий для подавления роста раковых клеток.
    1795
  • 22/01/2018

    Бразильские ученые исследуют свойства материалов, созданных в ТГУ

    ​Томский государственный университет и Университет Сан-Паулу (Бразилия) подписали соглашение о сотрудничестве в научном исследовании по получению и изучению новых полимерных материалов. Одним из главных направлений взаимодействия ученых станет работа по созданию модифицированных материалов и покрытий для биомедицины и промышленности.
    463