В течение последнего десятилетия бурное развитие получили технологии с использованием магнитных наночастиц. Речь идет об их применении как для получения новых химических веществ и ускорения химических процессов, так и для микроскопических манипуляций с объектами нано- и микроразмеров.
В медицине активно разрабатываются методы по доставке в организм лекарств и очистке крови путем введения полезных и выведения вредных веществ магнитными наночастицами. Прикладные разработки в этих направлениях возможны лишь при строгом соответствии магнитных наночастиц определенным стандартам. Поэтому принципиально важно иметь точную информацию о фазовом составе наночастиц, их размере и контролировать эти параметры.
Сотрудники Института физики металлов и Института электрофизики Уральского отделения РАН, а также Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) предложили новаторскую методику комплексного решения данных задач. Статью с описанием методики и результатов ее испытаний авторский коллектив опубликовал в журнале Materials Today Communications. Работа является продолжением исследований, осуществленных ранее благодаря грантовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Российского научного фонда.
Размер магнитных частиц влияет на их внутреннюю магнитную структуру: большие частицы имеют свойство разбиваться на области, которые называются доменами, внутри доменов электронные магнитные моменты сориентированы одинаково, а от домена к домену их направление меняется. При уменьшении частицы до некоторого критического размера в ней остается только один домен. Новизна научных результатов работы уральских ученых заключается в том, что им удалось разработать методику для определения перехода частиц в однодоменное состояние.
«Задача, которую поставили нам коллеги-исследователи из Института органического синтеза УрО РАН, состояла в том, чтобы получить частицы насколько это возможно минимального размера при сохранении их намагниченности. И мы эту задачу решили. Наша методика позволяет в наблюдении отделять однодоменные наночастицы от многодоменных, определять их доли и контролировать их магнитные свойства», — рассказывает Александр Гермов, основной исполнитель исследовательского проекта, научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН.
Методическое решение заключалось в совместном использовании ядерного магнитного резонанса и мессбауэровской спектроскопии.
«Один из традиционных методов исследования новых материалов — рентгеновская дифракция — перестает эффективно работать при столь малых размерах частиц и вообще не дает информации об их магнитном состоянии, а при других обычных методах измерения намагниченности анализируется состояние всего материала (например, нанопорошка) целиком», — объясняет Михаил Уймин, ведущий научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН, ведущий специалист отдела магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ.
По словам Уймина, сочетание ядерного магнитного резонанса и мессбауэровской спектроскопии гораздо более эффективно в исследованиях магнитных наноматериалов, поскольку дает уникальную информацию об их устройстве в атомном масштабе.
«Необычность нашего подхода еще и в том, что наиболее широкое распространение ядерный магнитный резонанс нашел в изучении органических веществ, но не твердых тел и тем более не металлов и магнитных материалов», — подчеркивает Александр Гермов.
Для проведения комплексных исследований ученые использовали покрытые углеродом наночастицы железа, которое, как известно, является магнитным материалом (углеродный слой защищает частицы от внешней среды, предотвращая ухудшение их свойств). Было установлено, что сердцевина наночастиц содержит не только фазу чистого железа, но и карбиды железа, а также твердые растворы железо-углерод. Устранение этих «помех» с помощью термической обработки позволяет улучшить магнитные свойства наночастиц.
Следующая цель ученых — применить разработанную методику к целой «галерее» магнитных материалов.
«В результате мы придем к тому, что будем отбирать их в зависимости от заданных свойств: если необходим материал с повышенной намагниченностью — добавляем кобальт, если с пониженной — никель. Мы добились того, что отжиг наноматериалов не разрушает структуру углеродного покрытия, это делает использование токсичных кобальта и никеля безопасным. Сейчас мы занимаемся изучением свойств наночастиц из железо-кобальтовых сплавов», — сообщает Александр Гермов.
УрФУ — один из ведущих вузов России со столетней историей. Расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных летних студенческих игр 2023 года. В Год науки и технологий примет участие в конкурсе по программе «Приоритет–2030». Вуз выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ).
- УрФУ оперативный — в Telegram
