🗊Презентация Магнитные наносистемы и наноматериалы

Магнитные наносистемы и наноматериалы В настоящее время одним из перспективных направлений в нанотехнологии является получение и изучение физико-химических свойств магнитных наносистем. Магнитные наносистемы – твердые или жидкие гетерогенные дисперсные системы, содержащие в своем составе магнитные наночастицы (ферро- или ферримагнетиков), обеспечивающие системам особые технологические свойства. К магнитным наносистемам относятся тонкопленочные и компактированные магнитные наноматериалы (как разновидность традиционных магнитных материалов), а также магнитные жидкости.

Все вещества и материалы по значению и знаку магнитной восприимчивости (χ, безразмерная величина, характеризующая способность намагничиваться в магнитном поле) подразделяются на три основные группы: диамагнетики (χ < 0, не намагнививаются); парамагнетики (χ > 0, слабо намагничиваются); ферромагнетики (χ >> 0, сильно намагничиваются). К диамагнетикам (магнитный момент направлен против вектора намагничивающего поля) относятся многие газы, вода, органические вещества, ионные соли и большое число металлов (Cu, Ag, Au, Sr, Be, Zn, Ga, Si, Ge, Pb, Bi и др.) Сильнейшими диамагнетиками являются сверхпроводники. У парамагнетиков величина χ находится в пределах 10–3– 10–5. К ним относятся щелочные металлы, Al, Sn, многие переходные металлы (Ti, Cr, W, Mn, Pt, Pd и др.), соли Fe, Co, Ni, РЗЭ и др. У ферромагнетиков величина χ достигает 102–105. Ферромагнетиками являются α-Fe, Co, Ni, Gd и др., а также некоторые сплавы.

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ Традиционные ферромагнитные материалы Основной характеристикой процесса намагничивания ферромагнетиков является кривая намагничивания (рис. 1).

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ  

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ Ферромагнитные материалы по величине коэрцитивной силы Нк (т.е. напряженности магнитного поля, при которой происходит полное размагничивание) подразделяют на: магнитомягкие (Нк < 103 А/м или < 12,5 Э) и магнитотвердые (Нк > 103 А/м или > 12,5 Э). При разработке новых магнитных материалов часто стремятся достичь максимальных значений Hк, поскольку в таком случае будет затруднено изменение направления вектора намагниченности за счет тепловых флуктуаций. Это актуально и для магнитных наноматериалов (с магнитными наночастицами), поскольку они находят широкое применение в системах записи и хранения информации. в постоянных магнитах, в системах магнитного охлаждения, в качестве магнитных сенсоров и т.п. Все это объясняет большой интерес специалистов различного профиля к таким системам.

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ Кроме ферромагнитных материалов для магнитной записи информации используют также сегнетоэлектрики (в англоязычной литературе – ферроэлектрики), которые не обладают свойствами самопроизвольной намагниченности, но обладают особыми электрическими свойствами. Сегнетоэлектрики – кристаллические материалы, состоящие (при температурах ниже температуры Кюри) из самопроизвольно поляризованных и упорядоченных электрических диполей, обладающих способностью к обращению полярности в электрическом поле определенной силы. Для сегнетоэлектриков коэрцитивная сила определяется как величина напряженности электрического поля, необходимая для его полной деполяризации. Типичными представителями этого класса материалов являются BaTiO3, PbTiO3.

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ В настоящее время большой интерес специалистов различного профиля связан с разработкой магнитных наноматериалов. Это обусловлено, во-первых, тем, что наличие наночастиц в магнитном материале может заметно увеличивать не только магнитную анизотропию, но и намагниченность материала (в расчете на один атом). При этом магнитная восприимчивость наночастиц может достигать значения χ = 106, что заметно больше, чем у массивного образца. Во-вторых, отличия в температурах Кюри (температуре самопроизвольного установления параллельной ориентации спинов) для наночастиц и соответствующих макроскопических фаз могут достигать сотен градусов.

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ Магнитные свойства наночастиц определяются многими факторами, среди которых следует выделить: – химический состав, – тип кристаллической решетки и степень ее дефектности, – размер, форма и морфология частиц, – взаимодействие частиц с окружающей их матрицей и соседними частицами. Изменяя размеры, форму, состав и строение наночастиц, можно в определенных пределах управлять магнитными характеристиками наноматериалов 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 НАНОМАТЕРИАЛЫ Суперпарамагнетизм – способность наносистемы магнетизироваться с помощью внешнего магнитного поля, не проявляя магнитного гистерезиса, и терять магнетизм при удалении магнитного поля (коэрцитивная сила и остаточная магнитная индукция наноматериала в суперпарамагнитном состоянии равны нулю). Суперпарамагнитные наночастицы находят применение: для изготовления устройств со сверхвысокой плотностью записи информации, ее считывания и хранения; для создания магнитных жидкостей (МЖ); для повышения контраста в магниторезонансной томографии (МРТ).

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ Из других применений магнитных наночастиц следует выделить: направленный перенос лекарств; сепарация биологических объектов вирусов и бактерий (в качестве сепарируемого носителя); удаление органических отходов из воды, с последующей их каталитической переработкой (в качестве адсорбента и одновременно катализатора).

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ Имеются два подхода для получения наночастиц магнитных материалов: измельчение компактных материалов (дроблением, испарением-конденсацией) – подход «сверху»; сборка наночастиц из атомов, ионов, молекул – подход «снизу». Концепция сборки «снизу» располагает большим числом возможностей для контроля над размерами, формой, составом, структурой и физическими свойствами наночастиц. Одним из наиболее удобных путей для получения магнитных наночастиц является проведение химических реакций в растворах. В этом случае формирование наночастиц достигается путем подбора определенных условий протекания реакции (тип реакции, растворитель, температура, поверхностно-активное вещество-стабилизатор). Вопрос подбора стабилизатора имеет очень важное значение, так как стабилизатор может химически модифицировать поверхность наночастиц, а значит, существенно влиять и даже изменять свойства наноматериала (изменять магнитное поведение наночастиц). Это связано с тем, что модифицированная поверхностность наночастиц может иметь совсем иные магнитные характеристики по сравнению с ядром частицы из-за взаимодействия внутренних атомов с внешними атомами.

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ Имеются три основных химических метода получения магнитных наночастиц: гидролиз (метод Массарта и его модификации); межфазный синтез (метод микроэмульсий); термолиз.

Получение магнитных наночастиц гидролизом солей Получение магнитных наночастиц гидролизом солей

Получение магнитных наночастиц гидролизом солей В качестве прекурсора используют соль FeCl3, растворенную в этиленгликоле. Здесь двухатомный спирт (этиленгликоль) является не только растворителем, но и восстановителем для соли. В качестве стабилизатора синтезируемых магнитных наночастиц чаще всего используют полиакриловую кислоту (CH2-CH-COOH)n (низкой степени полимеризации n = 200–3000), которую вводят в спиртовой раствор прекурсора непосредственно перед синтезом. Карбоксильные группы полиакриловой кислоты склонны к взаимодействию с целевыми наночастицами, предохраняют их от агломерации и обеспечивают им гидрофильность. Типичный вариант осадительно-восстановительного гидролиза с использованием этиленгликоля заключается в следующем: Композицию из полиакриловой кислоты, соли железа (III) и этиленгликоля нагревают при перемешивании до 220 оС в атмосфере азота, затем производят изотермическую выдержку до образования прозрачного раствора. К образовавшемуся прозрачному раствору быстро добавляют спиртовой раствор гидроксида натрия (в этиленгликоле). Реакцию гидролиза проводят в условиях перемешивания в течение 10 мин, что обеспечивает осаждение гидрофильных монодисперсных магнитных наночастиц магнетита контролируемого размера (от 3 нм до 10 нм). Выделение наночастиц Fe3O4 из образующейся дисперсии производят центрифугированием.

Получение магнитных наночастиц термолизом при 180 –380 оС (с использованием смеси ПАВ: С17Н33СООН+ С17Н33NН2, при отсутствии воды )