Матеріалознавці з МДУ, МІСІС і МФТІ рекордно прискорили синтез наномагнітів з дуже рідкісного матеріалу - епсилон оксиду заліза (лід-Fe2O3). Він стійкий лише у вигляді наночастинок і відрізняється від інших оксидів заліза складною спотвореною кристалічною решіткою. Останнє радикально змінює його магнітні властивості - наприклад, епсилон оксид заліза поглинає випромінювання міліметрового діапазону, який може стати робочим для пристроїв 6G, а також його дуже складно розмагнітити. Ключем, який зробив можливим промислове отримання матеріалу, стала нова методика, що дозволяє отримувати чистий матеріал в десятки разів швидше, ніж раніше. Дослідження опубліковано в журналі.
З точки зору найпростішої шкільної хімії будь-яку речовину можна описати, вказавши з яких атомів вона складається - і в якому співвідношенні вони складають цю речовину. Наприклад, легко відрізнити один від одного мінерали магнетит (Fe3O4) і гематит (Fe2O3). У першому на 6 атомів заліза припадає 8 атомів кисню, у другому на 6 атомів заліза 9 атомів кисню. Але коли мова заходить про фізичні властивості матеріалу, наприклад, магнітних, то важливим виявляється і те, як атоми упаковані в речовині. Наприклад, у гематиті Fe2O3 кожен атом заліза оточений шістьма атомами кисню, так що мінерал слабо притягується до магнітів. А в маггеміті, який теж має формулу Fe2O3, приблизно третина атомів заліза оточена лише чотирма киснями - і він дуже добре притягується до магніту (а магнетит - ще краще).
Знаючи, яке розташування атомів покращує магнітні властивості, можна створити магнітний матеріал з «ідеальними» властивостями - або дуже добре магнітний, або той, який дуже складно розмагнітити, а якщо постаратися, то вміє робити і те й інше. Але, на жаль, аж ніяк не будь-які розташування атомів (структури) стійкі - в більшості своїй вони легко руйнуються, перетворюючись на більш стійкі, але менш цікаві структури з точки зору їх властивостей. Щоб зробити структуру матеріалу стійкою, треба підібрати спеціальні умови: тиск і температуру при яких вона буде використовуватися, або, іноді, розмір частинок, зроблених з цього матеріалу. Справа в тому, що атоми на поверхні частинок поводяться зовсім інакше, ніж атоми в товщі речовини, у них інше оточення та інша рухливість. І чим менше розмір частинок, тим сильніше на неї впливають поверхневі атоми. А це може стабілізувати одну з бажаних структур матеріалу.
Найменші 10-нанометрові частинки Fe2O3 прагнуть володіти структурою маггеміту, а великі 100-нанометрові частинки зроблять все можливе, щоб перейти в структуру гематиту. Рівно між ними лежить область існування дуже рідкісного епсилон оксиду заліза ε-Fe2O3: у його структурі є атоми заліза з чотирма різними варіантами оточення атомами кисню. І цей матеріал має абсолютний рекорд серед оксидів заліза за величиною коерцитивної сили - своєї здатності чинити опір перемаганню. А такі матеріали потрібні як для магнітного запису інформації, так і для деяких застосувань, пов'язаних з радіозв'язком.
Крім того, що сам матеріал існує лише у вигляді наночастинок, практично єдиним способом отримати його цілеспрямовано є синтез у пористому силікагелі (він використовується щоб вбирати вологу, наприклад). Діоксид кремнію стабілізує структуру епсилон оксиду заліза і не дає окремим наночастинкам зростатися, запобігаючи утворенню гематиту. Для успішного синтезу матеріалу необхідно впровадити іони заліза в пори діоксиду кремнію, а потім нагріти до температури близько 1000-1250 градусів Цельсія. Найпростіший спосіб досягти цього - виростити силікагель прямо в розчині солей заліза, що може забирати до декількох тижнів.
Через складний синтез епсилон оксид досі не знаходить промислового застосування, хоча вперше в чистому вигляді він був отриманий ще в 2004 році. Вирішити цю проблему змогла команда дослідників на чолі з Левом Трусовим (Lev Trusov) з хімічного факультету МДУ. Колективу вдалося спростити технологію отримання нового оксиду заліза. По-перше, хіміки прискорили синтез кремній-оксидного гелю приблизно в 240 разів - до двох годин, - за рахунок підвищення температури. По-друге, вони показали, що змінюючи температуру подальшого випалу можна дуже точно задавати діаметр наночастинок, а з ним і їх властивості, а також домогтися отримання чистого ε-Fe2O3.
Подальші вимірювання в лабораторії терагерцевої спектроскопії МФТІ показали, що розмір частинок сильно впливає на частоту ферромагнітного резонансу матеріалу: вона зрушується з 162 до 170 ГГц зі збільшенням діаметру, хоча можна було б очікувати, що ця величина буде постійною для частинок з однаковою кристалічною структурою. Природний ферромагнітний резонанс - це процес поглинання електромагнітного випромінювання, який відбувається за рахунок прецесії магнітних моментів. Цікаво, що частоти, які поглинають наночастинки ε-Fe2O3, лежать у міліметровому діапазоні (100-300 ГГц), який передбачається використовувати для 6G-зв'язку. Тому автори сподіваються на те, що нова технологія отримання наночастинок епсилон оксиду заліза знайде застосування в пристроях прийому і передачі нового покоління зв'язку - наприклад, циркуляторах і ферритових вентилях.
Раніше ми повідомляли про інший незвичайний оксид заліза зі складом Fe2O3 - гематен. Він є атомарно тонкими шарами гематиту, які відщеплювали від кристала за допомогою ультразвуку і диметилформаміду. Перехід від тривимірної структури до атомарних шарів теж змінює магнітні властивості матеріалу: гематен, на відміну від гематиту, буде добре притягуватися до магніту - він ферромагнетик, а гематит - антиферромагнетик.