Химики сварили наномагнитики для поглощения 6G-излучения


Химики сварили наномагнитики для поглощения 6G-излучения

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.

Химики сварили наномагнитики для поглощения 6G-излучения

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.

Химики сварили наномагнитики для поглощения 6G-излучения

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

Источник: nplus1.ru



Логотип Labuda.blog
Авторизоваться с помощью: 
Яндекс.Метрика