Магнитный момент в частицах эпсилон оксида железа прецессирует с разной скоростью, в зависимости от размера частицы. Поэтому разные частицы поглощают разные длины волн миллиметрового диапазона, который планируется использовать в 6G связи
Gorbachev et al., / Journal of Materials Chemistry C, 2021
Материаловеды из МГУ, МИСИС и
МФТИ рекордно ускорили синтез наномагнитов из очень редкого материала — эпсилон
оксида железа (ε-Fe2O3). Он устойчив
лишь в виде наночастиц и отличается от других оксидов железа сложной искаженной
кристаллической решеткой. Последнее радикально меняет его магнитные свойства —
например, эпсилон оксид железа поглощает излучение миллиметрового диапазона,
который может стать рабочим для устройств 6G, а также его очень сложно размагнитить. Ключом, который сделал
возможным промышленное получение материала, стала новая методика, позволяющая получать чистый материал в десятки раз быстрее, чем раньше. Исследование опубликовано
в журнале Journal of Materials Chemistry C.
С точки зрения простейшей
школьной химии любое вещество можно описать, указав из каких атомов оно состоит
— и в каком соотношении они составляют это вещество. Например, легко отличить друг от друга минералы магнетит (Fe3O4) и гематит (Fe2O3). В первом на 6
атомов железа приходится 8 атомов кислорода, во втором на 6 атомов железа 9
атомов кислорода. Но когда речь заходит о физических свойствах материала,
например, например, магнитных, то важным оказывается и то, как атомы упакованы
в веществе. Например, в гематите Fe2O3 каждый атом железа окружен шестью атомами кислорода, так что минерал слабо притягивается к
магнитам. А в маггемите, который тоже имеет формулу Fe2O3, примерно треть атомов
железа окружена лишь четырьмя кислородами — и он очень хорошо притягивается к
магниту (а магнетит — еще лучше).
Зная, какое расположение атомов
улучшает магнитные свойства, можно создать магнитный материал с «идеальными»
свойствами — либо очень хорошо магнитящийся, либо тот, который очень сложно
размагнитить, а если постараться, то умеющий делать и то и другое. Но, к
сожалению, отнюдь не любые расположения атомов (структуры) устойчивы — в
большинстве своем они легко разрушаются, превращаясь в более устойчивые, но
менее интересные структуры с точки зрения их свойств. Чтобы сделать структуру материала
устойчивой, надо подобрать специальные условия: давление и температуру при
которых она будет использоваться, или, иногда, размер частиц, сделанных из
этого материала. Дело в том, что атомы на поверхности частиц ведут себя совсем
иначе, чем атомы в толще вещества, у них другое окружение и другая подвижность.
И чем меньше размер частиц, тем сильнее на нее влияют поверхностные атомы. А
это может стабилизировать одну из желанных структур материала.
Самые маленькие 10-нанометровые
частицы Fe2O3 стремятся обладать
структурой маггемита, а крупные 100-нанометровые частицы сделают все возможное, чтобы перейти в структуру гематита. Ровно между ними лежит область
существования очень редкого эпсилон оксида железа ε-Fe2O3: в его структуре есть атомы
железа с четырьмя различными вариантами окружения атомами кислорода. И этот
материал обладает абсолютным рекордом среди оксидов железа по величине
коэрцитивной силы — своей способности сопротивляться перемагничиванию. А такие
материалы нужны как для магнитной записи информации, так и для некоторых
применений, связанных с радиосвязью.
Структура эпсилон оксида железа. Разные по окружению атомы железа покрашены в разный цвет
Горбачев Е. и др. / Успехи химии, 2021
Кроме того, что сам материал
существует лишь в виде наночастиц, практически единственным способом получить
его целенаправленно является синтез в пористом силикагеле (он используется
чтобы впитывать влагу, например). Диоксид кремния стабилизирует структуру эпсилон оксида железа и не дает отдельным наночастицам срастаться, предотвращая образование гематита. Для успешного
синтеза материала необходимо внедрить ионы железа в поры диоксида кремния, а потом нагреть до температуры около 1000-1250 градусов Цельсия. Самый простой способ добиться этого — вырастить силикагель прямо в растворе солей железа, что может отнимать до
нескольких недель.
Из-за сложного синтеза эпсилон
оксид до сих пор не находит промышленного применения, хотя впервые в чистом
виде он был получен еще в 2004 году. Решить эту проблему смогла команда исследователей во главе с Евгением Горбачевым (Evgeny Gorbachev) с химического факультета МГУ. Коллективу удалось упростить технологию
получения нового оксида железа. Во-первых, химики ускорили синтез кремний-оксидного
геля примерно в 240 раз — до двух часов, — за счет повышения температуры. Во-вторых, они показали, что изменяя температуру последующего отжига можно очень точно
задавать диаметр наночастиц, а с ним и их свойства, а также добиться получения
чистого ε-Fe2O3.
При разных температурах отжига в силикагеле образуются наночастицы эпсилон оксида железа размером от 7 до 38 нанометров. А размер влияет на резонансную частоту, на которой материал поглощает миллиметровое излучение
Gorbachev et al. / Journal of Materials Chemistry C, 2021
Дальнейшие измерения в
лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ показали, что размер частиц сильно
влияет на частоту ферромагнитного резонанса материала: она сдвигается с 162 до
170 ГГц с увеличением диаметра, хотя можно было бы ожидать, что эта величина
будет постоянной для частиц с одинаковой кристаллической структурой. Естественный ферромагнитный
резонанс — это процесс поглощения электромагнитного излучения, который
происходит за счет прецессии магнитных моментов. Интересно, что частоты,
которые поглощают наночастицы ε-Fe2O3,
лежат в миллиметровом диапазоне (100-300 ГГц), который предполагается
использовать для 6G-связи.
Поэтому авторы надеются на то, что новая технология получения наночастиц эпсилон
оксида железа найдет применение в устройствах приема и передачи нового
поколения связи — например, циркуляторах и ферритовых вентилях.
Ранее мы сообщали о другом
необычном оксиде железа с составом Fe2O3
— гематене. Он представляет собой атомарно тонкие слои гематита, которые
отщепляли от кристалла с помощью ультразвука и диметилформамида. Переход от
трехмерной структуры к атомарным слоям тоже меняет магнитные свойства
материала: гематен, в отличие от гематита, будет хорошо притягиваться к магниту
— он ферромагнетик, а гематит — антиферромагнетик.
Владимир Королёв
Читаем далее..:)
Физики запутали и измерили два макрообъекта
Переходы между уровнями охлажденных релятивистских ионов измерили с помощью лазерной спектроскопии
Физики разобрались в метании «блинчиков»
Физики измерили волновую функцию экситона
«Кошачьи» кубиты сделали квантовый компьютер более отказоустойчивым
Женщины пьют чаще, чем мужчины
Неизвестные X и Y: гендерное разнообразие и загадки эволюции
Властелины бесконечности: 10 важных книг о покорении космоса
Где может скрываться внеземная жизнь: обитатели ледяных лун Юпитера и Сатурна6 фактов о времени. Хотите в прошлое или будущее?
