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

  • 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.
    429
  • 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.
    735
  • 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.
    1123
  • 29/05/2018

    Красноярские ученые создали новые сверхтонкие ферромагнитные наноматериалы

    Ученые Сибирского федерального университета (СФУ) исследовали свойства двух различ-ных двумерных модификаций нитрида ванадия. Эти материалы найдут применение в со-здании спинтронных устройств нового поколения.
    219
  • 16/10/2018

    Красноярские физики исследовали сверхбыстрый распад молекулы воды

    ​Ученые из Сибирского федерального университета (СФУ) совместно с коллегами из Швеции описали распад молекулы воды при воздействии на нее рентгеновского излучения. Полученные данные в дальнейшем можно использовать для создания материалов с заданными свойствами, сообщила пресс-служба СФУ.
    76
  • 04/10/2018

    Фестиваль науки «Кстати» состоялся в Новосибирске

    Фестиваль науки «Кстати» прошёл в Новосибирске в третий раз. Темой этого года стал «Горизонт событий». 30 мероприятий фестиваля за пять дней посетили около 2500 человек. Главного события — открытия нового Информационного центра по атомной энергии в НГТУ — новосибирцы ждали особенно.
    219
  • 20/08/2018

    Учеными созданы железные спирали тоньше человеческого волоса

    ​Исследователи СПбГУ смогли синтезировать микроспирали соединений железа диаметром около 12 микрон - почти в десять раз тоньше человеческого волоса. Их можно будет использовать, например, для создания сенсоров с высокой чувствительностью, а также в качестве миниатюрных электромагнитов или индукторов.
    178
  • 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.
    1129
  • 24/01/2017

    Красноярские ученые рассчитали, как поймать свет с помощью диэлектрических шариков

    ​Теоретические расчеты красноярских физиков показали, что цепочка из одинаковых диэлектрических шариков может быть использована в качестве ловушки для электромагнитных волн. Такая цепочка будет вести себя как световод, который улавливает и захватывает свет, падающий на него под любым углом.
    831
  • 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.
    307