Популярные Нано Технологии

Размещение материала

Для размещения материала в данном разделе заполните пожалуйста эту форму.

Кадры

Фотогалерея

НИОКР

Магнитные наночастицы: проблемы и достижения химического синтеза / 05.05.2009

© Баранов Дмитрий Александрович

Источник: Нанометр

От автора: Представляемый вашему вниманию обзор был написан в начале 2008 года и составил изрядную часть моей дипломной работы. "Журнальная" судьба текста не сложилась и чтобы исчерпать потенциал представляю обзор вашему вниманию. Основную часть обзора составляют три раздела собирательно названные по сути методов получения магнитных наночастиц - 1. Гидролиз, соосаждение, 2. Мицеллы и 3. Термолиз. Разделы окаймляются общим введением в начале и обсуждением на нескольких примерах возможностей применения магнитных наночастиц в конце. Без вдохновения и ценных замечаний от проф., д.х.н. Губина Сергея Павловича (лаб. химии наноматериалов, ИОНХ РАН) этот обзор врядли появился бы на свет. Библиография - 160 ссылок.

Введение

Нанохимия магнитных материалов – одно из наиболее активно развиваемых направлений современной нанонауки, в последние годы привлекает все большее внимание исследователей из различных областей химии, физики, биологии и медицины. Магнитные материалы и феномен магнетизма знакомы человечеству на протяжении долгого времени, и хорошо известно какую роль играют магнитные явления в жизни современного человека. С интенсивным развитием науки в последние десятиления и стремительно ворвавшимся в научную лексику термином «нано», магнетизм наноразмерных объектов оказался едва ли не самой «горячей» наряду с фуллеренами и углеродными нанотрубками темой в научных журналах. Исторически, пристальнее присматриваться к наночастицам магнитных материалов стали приблизительно с первой половины 90-х годов. Исследователи из различных областей неорганической и металлорганической химии по обе стороны океана сталкивались с тем, что теперь известно под понятием «наночастица» или «наноматериал», а в то время – каждый называл так как ему было ближе по роду ислледований – магнитными жидкостями [79], кластерами [3] или активными порошками металлов [112]. Из-за еще недостаточной развитости физико-химических методов исследования строения вещества, представлялось затруднительным дать точную характеристику полученных объектов и объяснить их необычные свойства, но общее мнение и гипотезы сходились на том, что данные объекты обладают огромным потенциалом и несут в себе если не технологическую революцию, то множество важных фундаментальных открытий и перспективных технологических применений. За прошедшие чуть более четверти века был сделан колоссальный рывок в понимании феномена «нано», стало возможным изготавливать монодисперсные наночастицы с контролируемым размером, формой, а иногда и структурой для широкого спектра составов, от монокомпонентных - например сферических железа [100] или тетраподов магнетита [29] до сложных многокомпонентных с комплексной структурой – сплава FeCo [31] или устроенных по типу ядро-оболочка наночастиц кубической формы FePt@MnO [56].

ПЭМ микрофотография core-shell наночастиц FePt покрытых MnO [56].

 

Повышенный интерес ислледователей к нанообъектам вызван обнаружением у них необычных физических и химических свойств, что связано с проявлением так называемых «квантовых размерных эффектов». Эти эффекты вызваны тем, что с уменьшением размера и переходом от макроскопического тела к масштабам нескольких сот или нескольких тысяч атомов, плотность состояний в валентной зоне и в зоне проводимости резко изменяется, что отражается на свойствах обусловленных поведением электронов, в первую очередь магнитных и электрических. Имевшаяся в макромасштабе «непрерывная» плотность состояний заменяется на дискретные уровни, с расстояниями между ними зависимыми от размеров частиц [118]. В таких масштабах материал перестает демонстрировать физические свойства присущие макросостоянию вещества или проявляет их в измененном виде. Благодаря такому размерно-зависимому поведению физических свойств и нетипичности этих свойств по сравнению со свойствами атомов с одной стороны, и макроскопических тел с другой, наночастицы выделяют в отдельную, промежуточную область, и нередко называют «искусственными атомами» [9].

Другим главным фактором оказывающим влияние на физические и химические свойства малых частиц по мере уменьшения их размеров является возрастание в них относительной доли «поверхностных» атомов, находящихся в иных условиях (координационное число, симметрия локального окружения и т.п.), чем атомы объемной фазы. За счет этого происходит серьезное изменение свойств «поверхностных» атомов, в результате чего также изменяется характер взаимодействия между атомами находящимися на поверхности и атомами внутри частицы, что может приводить к кардинальному изменению физических свойств. Например, теоретически и экспериментально показано что в магнитных кластерах состава Ni38Pt6 полностью исчезает магнетизм поверхностных атомов при покрытии их карбонильными лигандами, в то время как магнитное поведение атомов внутри кластера остается неизменным [64]. Наличие таких неоднородностей не позволяет считать наночастицы в буквальном смысле однородными, т.к. свойства поверхностных и внутренних областей различаются. С энергетической точки зрения уменьшение размеров частицы приводит к возрастанию доли поверхностной энергии в ее химическом потенциале, что делает ее способной эффективно взаимодействовать с любыми химическими соединениями. Глубина взаимодействия с окружающей средой определяется двумя основными факторами: поверхностной энергией и природой химического вещества наночастицы. Так наночастицы кобальта обладают очень сильной способностью к окислению кислородом воздуха, и на их поверхности обычно присутствует слой антиферромагнитного оксида кобальта, который взаимодействуя с металлическим ферромагнитным «ядром» вносит существенный вклад в магнитные свойства, влияя на коэрцитивность, увеличивая/уменьшая ее в зависимости от своей толщины (подобные эффекты называются обменной анизотропией и позволяют управлять коэрцитивностью наночастиц и наноматериалов на их основе) [65, 80, 85].

В настоящее время уникальные физические свойства наночастиц интенсивно изучаются [136]. Особое место среди них занимают магнитные свойства, в которых наиболее отчетливо проявляются различия между массивным (объемным) материалом и наноматериалом. В частности, показано, что намагниченность (в расчете на один атом) и магнитная анизотропия наночастиц могут быть заметно больше, чем у массивного образца, а отличия в температурах Кюри (Tc) или Нееля (ТN), т.е. в температурах самопроизвольного установления параллельной или антипараллельной ориентации спинов, наночастиц и соответствующих макроскопических фаз достигают сотен градусов. Кроме того у магнитных наноматериалов обнаружен ряд необычных свойств – высокие значения обменного взаимодействия, аномально большой магнитокалорический эффект и др. [131].

Магнитные свойства наночастиц определяются многими факторами, среди которых следует выделить химический состав, тип кристаллической решетки и степень ее дефектности, размер и форму частиц, морфологию (для частиц с комплексной структурой), взаимодействие частиц с окружающей их матрицей и соседними частицами. Изменяя размеры, форму, состав и строение наночастиц, можно в определенных пределах управлять магнитными характеристиками материалов на их основе. Однако контролировать все эти факторы при синтезе примерно одинаковых по размерам и химическому составу наночастиц удается далеко не всегда, поэтому свойства однотипных наноматериалов могут сильно различаться.

Магнитные наночастицы широко распространены в природе и встречаются во многих биологических объектах. Магнитные наноматериалы используются в системах записи и хранения информации, в новых постоянных магнитах, в системах магнитного охлаждения [128], в качестве магнитных сенсоров и т.п. Все это объясняет большой интерес специалистов различного профиля к таким системам.

Среди магнитных материалов, нашедших широкое технологическое применение следует отметить ферромагнетики. Одной из наиболее важных характеристик ферромагнетика является коэрцитивная сила (Hc) – величина обратного магнитного поля которое должно быть приложено к магнитному материалу намагниченному до насыщения чтобы довести до нуля его намагниченность или индукцию, соответствующая точке на симметричной петле гистерезиса ферромагнетика M(H) или B(H), для которой M (или B соответственно) = 0. Здесь М – намагниченность ферромагнитного образца, а B– индукция магнитного поля в ферромагнитном образце с нулевым размагничивающим фактором. При разработке новых магнитных материалов часто стремятся достичь максимальных значений Hc, что особенно актуально для магнитных наночастиц, поскольку в таком случае изменение направления вектора намагниченности за счет тепловых флуктуаций будет затруднено. Помимо ферромагнетиков, в которых магнитные моменты атомов упорядочены, технологическое применение находят также магнитные спиновые стекла – системы, в которых конкуренция случайных магнитных взаимодействий между магнитными моментами приводит к магнитному неупорядоченному состоянию.

<< первая < пред. 1 2 3 4 5 6 7 след. > последняя >>

Авторизация

логин
пароль
Регистрация Забыли пароль?

Реклама нефтегаз

Анонсы событий