Ученые Института физики металлов УрО РАН и Уральского федерального университета получили наночастицы железо-кобальтового сплава с высокими показателями устойчивости и намагниченности. Перспективные области применения таких наночастиц — катализ, водородная энергетика, сенсорные и абсорбционные системы, медицина. Исследования поддержаны Российским научным фондом (грант № 21-72-00007) и Министерством науки и высшего образования РФ (государственная программа «Магнит» №122021000034-9). Статья о научной работе опубликована в Journal of Magnetism and Magnetic Materials.
Исследователи поставили перед собой задачу получить наночастицы с заданными магнитными характеристиками, которые можно контролировать с большой точностью. Первые опыты были проведены с использованием одного из самых известных и широко распространенных магнитных материалов — железа. Проблема, с которой при этом столкнулись ученые, заключалась во влиянии защитной углеродной оболочки, покрывавшей частицы железа. При отжиге углерод проникал внутрь частиц и образовывал карбид железа, из-за этого магнитные свойства наночастицжелеза значительно ухудшались. Вместе с тем без углеродной оболочки наночастицы постепенно окисляются в атмосфере и деградируют, железо превращается в оксид железа, и намагниченность также ослабевает.
«Эту проблему мы решили добавлением к железу кобальта, который препятствует проникновению углерода внутрь наночастиц и образованию карбида. Выбор кобальта продиктован еще и тем, что сплав железа с кобальтом обладает хорошими магнитными свойствами», —рассказывает Александр Гермов, старший научный сотрудник лаборатории кинетических явлений ИФМ УрОРАН, руководитель исследовательского проекта, соавтор научной статьи.
В результате отжига оба металла равномерно распределяются в наночастицах, а побочная «немагнитная» фаза железа за счет разбавления кобальтом преобразуется в магнитную. Таким образом, термообработка делает сплав внутри наночастиц более однородным по химическому составу, существенно увеличивает стабильность и намагниченность наночастиц. При этом отжиг не разрушает, а улучшает структуру углеродного покрытия, это делает использование токсичного кобальта в сплаве более безопасным для медицинских применений.
Проверить магнитные свойства полученных наночастиц, используя обычные методы измерения магнитной восприимчивости, оказалось затруднительно: данные методы дают представление о состоянии материала в целом, но не отдельных частиц.
«Новизна нашего подхода для исследования частиц заключается в применении взаимодополняющих методов с атомным разрешением: это мессбауэровская (или ядерная гамма-резонансная) спектроскопия и ядерный магнитный резонанс. Таким образом, данные о микроскопических свойствах наночастиц сплава удалось разумным образом согласовать с макроскопическими магнитными данными, полученными из измерений магнитной восприимчивости», — объясняет Анатолий Ермаков, главный научный сотрудник лаборатории прикладного магнетизма ИФМ УрОРАН, профессор УрФУ.
По словам Александра Гермова, полученные наночастицысо структурой «ядро-углеродная оболочка» с магнитным ядром на основе железа и кобальта после соответствующей функционализации могут быть использованы как диагностические агенты в магнитно-резонансной томографии. Добавление магнитных наночастиц, способных накапливаться в патологических очагах, позволяет получать более контрастное изображение пораженных областей организма. Наночастицы перспективны и в качестве терапевтических агентов при лечении различных заболеваний, в том числе раковых опухолей — в магнитной гипертермии и доставке лекарственных препаратов внутрь организма.
УрФУ — один из ведущих вузов России, расположен в Екатеринбурге. Участник проекта по созданию кампусов мирового уровня — части национального проекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России. Университет — участник государственной программы поддержки российских вузов «Приоритет-2030», выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы».
УрФУ оперативный — в телеграм.