News image News image News image News image News image News image News image News image


Магнитные свойства наносистемы оксидов железа
Энциклопедия - Нанотехнологии и наноматериалы

Изменение межкластерного взаимодействия от «слабого» к «сильному» приводит к изменению магнитных свойств наносистемы. Эти изменения исследовались методом мессбауэровской спектроскопии. Для системы 1 (изолированные кластеры) характерно явление суперпарамагнетизма, проявляющегося в виде тепловых флуктуаций магнитного момента кластера как целого, что приводит к размыванию магнитной сверхтонкой структуры спектра (рис. 3а,б). С момента образования системы 2 (взаимодействующие кластеры) появляется достаточно четко выраженная магнитная сверхтонкая структура с узким центральным парамагнитным дублетом (рис. 3в, г). Такой же эффект наблюдался ранее для нанокластеров ферригидрита, изолированных в порах полисорба, а также в кластерах  и   и в ядре железосодержащих белков ферритина и гемосидерина. Наблюдавшийся спектр мы объясняем как результат наличия в системе нанокластеров магнитного фазового перехода первого рода, при котором намагниченность или магнитный порядок изменяются скачком. Скачкообразный переход может наблюдаться при изменении температуры в некоторой критической точке , а также при изменении размера кластера, когда осуществляется переход через критическое значение радиуса . Скачкообразные переходы в наносистеме, обусловленные сильным межкластерным взаимодействием, давлением и деформацией, наиболее полно наблюдаются для системы 2, состоящей из крупных, спекшихся кластеров (20-50 нм)   и . Отметим, что по данным рентгеноструктурного анализа   обладает ромбоэдрической структурой, характерной для корунда,  а  -  кубической структурой шпинели.

Мессбауэровские спектры наносистемы   и  (рис. 4) свидетельствуют о наличии в ней скачкообразных магнитных переходов между магнитоупорядоченным состоянием с характерной сверхтонкой структурой  и парамагнитным состоянием, к которому отнесен центральный дублет.

Эти магнитные переходы происходят при температурах , которые ниже критических температур , характерных для массивных образцов   и   (856 и 965 К соответственно). Понижение критической температуры (по сравнению с ) не может быть следствием суперпарамагнетизма из-за больших размеров кластеров, составляющих систему. Расчет времени релаксации по формуле, используемой для описания релаксации в суперпарамагнитных системах

где  ; К - константа магнитной анизотропии кластера; V – объем кластера, дает значения на несколько порядков большие времени измерения, равному  . В результате магнитная индукция исчезает скачкообразно, что обусловлено трансформацией магнитной сверхтонкой структуры  в парамагнитный дублет (рис. 5а).

Наличие в наносистеме   и   фазового перехода первого рода связано с «сильным» межкластерным взаимодействием. При спекании кластеров кардинально меняется кривизна их поверхности, которая, как показали оценки, определяет возможность существования скачкообразного магнитного перехода [2].

Кроме магнитного фазового перехода первого рода в этой системе наблюдаются еще два фазовых перехода: слабый ферромагнетик – антиферромагнетик и коллективный магнитный фазовый переход с образованием двойниковых наноструктур. Слабый ферромагнетизм (неколлинеарный антиферромагнетизм) возникает при повышении температуры, как следствие нестабильности скомпенсированного антиферромагнетизма.  Для массивного образца  существует магнитный фазовый переход при , известный как переход Морина, когда в структуре скачком изменяется тип магнитного упорядочения. При   имеет место коллинеарный антиферромагнетизм, а при - неколлинеарный антиферромагнетизм (слабый ферромагнетизм). Этот переход сопровождается поворотом спинов на .

В мессбауэровских спектрах фазовый переход «коллинеарность – неколлинеарность магнитных моментов» с поворотом направления спинов относительно направления градиента кристаллического поля определяется по изменению знака и величины квадрупольного расщепления спектра , обладающего магнитной сверхтонкой структурой. Так, для массивного образца  высокотемпературной фазе соответствует  мм/с, а низкотемпературной  мм/с. Особенности этого фазового перехода в наносистеме   и   прослеживаются из рис. 5б. Низкотемпературная фаза  ( мм/с), обладающая при  коллинеарным антиферромагнетизмом, при  переходит в состояние неколлинеарного антиферромагнетизма с  мм/с (высокотемпературная фаза). Таким образом температура перехода Морина наносистемы по сравнению с поведением массивного материала понижается до 120 К , причем высокотемпературная фаза имеет меньшее значение , чем характерное для массивного материала. С уменьшением размера кластера обменная энергия уменьшается (понижается ) и вероятность существования неколлинеарного антиферромагнетизма возрастает.

Отметим еще одно важное обстоятельство. Несмотря на широкое распределение нанокластеров по размерам, фазовый переход в них происходит при фиксированной температуре . Это свидетельствует о коллективном превращении всей системы, когда фазовый переход в одном кластере индуцирует фазовый переход во всем образце. Подобные фазовые переходы со скачкообразным превращением структуры всего образца наблюдаются в углеродистых сталях при переходе аустенита в мартенсит (мартенситные переходы).

Температура магнитного фазового перехода связана с еще одним типом фазового превращения, обусловленного составом железооксидной наносистемы. При  в системе сосуществуют обе фазы   и   , при   обе фазы превращаются в одну общую структуру с параметром , отвечающим фазе. При этом по данным рентгеноструктурного анализа кристаллические решетки обеих фаз сохраняются.

Температурная зависимость изомерного сдвига  (рис. 5в) показывает резкое изменение этого параметра при . При этом для фазы сдвиг  уменьшается, а для фазы возрастает скачком в среднем до 0,45 мм/с. Эти данные свидетельствуют о коллективных превращениях  и фаз в единую подобную структуру. Сохранение кристаллических решеток обеих фаз можно объяснить, если предположить образование двойниковой наноструктуры. Такие структуры часто формируются при кристаллизации под действием механических деформаций в результате спекания зародышей. Кроме того, двойникование происходит при быстром тепловом расширении или при нагревании деформированных кристаллов.

Развитие эффектов коллективных превращений фаз и образования двойниковых наноструктур в рассматриваемой двухфазной железооксидной системе можно объяснить следующим образом. В процессе синтеза наносистемы    и    происходит спекание зародышей оксида железа, что приводит к образованию сильно взаимодействующих кластеров. Сильные межкластерные взаимодействия вызывают, по-видимому, двойниковые коллективные переходы в наносистеме. В результате при изменении температуры происходит своеобразный фазовый переход двухфазной гетерогенной  наносистемы оксидов железа в однофазную двойниковую наноструктуру, в которой фаза подстраивается под фазу. При этом происходит перенос электрона от фазы на фазу, что проявляется в возрастании изомерного сдвига. Подобный переход представляет собой новое свойство гетерогенной наносистемы, в которой генератор перехода -  кластер, обладающий переходом Морина, вызывает коллективный переход системы в двойниковую наноструктуру.

Условия возникновения и особенности магнитного фазового перехода первого рода в наносистеме анализировались нами в рамках термодинамического подхода. Для изолированного кластера была получена температурная зависимость намагниченности (рис. 6):

где - отношение  намагниченности М к намагниченности насыщения ;  и  функции размера кластера,  -линейное приближение зависимости температуры магнитного фазового перехода от деформации  ., вызванной капиллярным давлением , а ,  поверхностное натяжение, N – число атомов в кластере со спином 1/2,  - объемная сжимаемость,  - положительная константа.

Как видно из рис.6, уменьшение намагниченности с ростом температуры происходит по-разному в зависимости от размера кластера ( функции). Если размер кластера так велик, что значение ,  то зависимость  однозначна и описывает переход второго рода. Если же кластер настолько мал, что , то зависимость  приобретает Z-образную форму. В этом случае при понижении температуры переход на нижнююветвь зависимости будет происходить скачко (см. пунктир на рис. 3), что характерно для фазовых переходов первого рода. Если обозначить температуру перехода, при которой происходит изменение типа фазовогоперехода, ,  т.е. полагать , то критический размер кластера, характерный для данной температуры, может быть рассчитан по формуле

При повышении температуры кластер, радиус которого , скачком переходит в парамагнитное состояние, тогда как кластер, радиус которого , совершает переход второго рода.

Увеличение внешнего давления на p вызывает деформацию кластера так, что температура его магнитного перехода уменьшается на величину

Итак, особые свойства нанокластеров и наносистем являются следствием размерных эффектов в нанокластерах и межкластерных взаимодействий, в том числе взаимодействий кластера с матрицей.  Это позволяет создавать наноматериалы с новыми магнитными и каталитическими свойствами. В качестве результатов, имеющих практическое значение, представляет интерес создание наносистем из оксидов железа с регулируемым размером 1-50 нм и изменяющимися магнитными свойствами за счет регулирования размеров нанокластеров и межкластерного взаимодействия и разработка высокоэффективного и стабильного железооксидного кластерного катализатора на углеродной матрице для  окислительного разложения сероводорода (оптимальный размер кластера 5-10 нм).

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Применение нанотехнологий

Один из способов разбогатеть Добыча редк

News image

Ушли в прошлое времена золотой лихорадки, с легкой добычей, в виде крупных самородков, давно иссяк Кл...

Новые приборные панели Audi будут работа

News image

Специалисты автомобильной компании Audi для разработки высокотехнологичных приборных панелей остановили свой выбор на универсальном процессоре Te...

Самовоспроизводящиеся материалы

News image

В природе организмы способны к воспроизводству, но человеку пока не удавалось создать искусственный материал, который мо...

Прорыв в солнечной энергетике? Во всяком

News image

Коммерчески успешные технологии в любой области могут возникнуть различными путями. Иногда они появляются на базе пр...

Наноплазмоника

News image

Благодаря успехам в производстве и визуализации металлических и полупроводниковых наночастиц быстро развивается новая область нанотехнологий — ...

Как бактерии в недрах Земли влияют на кл

News image

О том, что жизнь существует не только на поверхности Земли и в самом верхнем слое зе...

Фракталы

News image

Нравится ли вам смотреть на ночные молнии или представлять синии всполохи ветвящихся разрядов электрического оружия на...

Новые исследования подтвердили токсичнос

News image

Инженерные нанотехнологии всё чаще становятся частью нашей повседневной жизни в форме косметики, упаковки продуктов питания, си...

Новости нанотехнологий

Кремниевые нанотрубки выращивают без применения золота

Кремниевые нанопроволоки помогут уменьшить размеры микрочипов. Ученые из Института Физики микроструктур Макса Планка в Галле впервые разработали нанопроволоки на кре...

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из графена желаемой формы оказалась подвластна капелькам воды – о пластичности графеновых наноструктур сообщают химики из...

Влияние полярности электрического поля на рост вертикал

Одно из наиболее перспективных направлений использования углеродных нанотрубок (УНТ) связано с разработкой холодных полевых эмиттеров на их основе. Уникальные особенности та...

Наноальтернатива таблеткам

  Одним из первых медицинских применений нанотехнологии стало разработанное учеными из США быстродействующее лекарство от импотенции, которое сможет соперничать таблетками Частицы препарата ...

Композиты медицинские «MBM — ЛН»

Справка о применении в клинической практике композитного материала «MBM — ЛН» Композитный материал «MBM — ЛН» представляет собой ткань черного цвета. Развитая по...

More in: Технологии, Наноматериалы, Наномедицина, НаноТехника , Новости

Популярные заметки:

Космический лифт и нанотехнологии

От фантастики к реальности КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на...

Ученые Северной Каролины разрабатывают гибкие антенны

Антенны не только для того, чтобы слушать радио. Они используются во всем, начиная с сотовых телефонов и заканчивая GPS. Исследование го...

Бактерии приводят в движение крошечные наномеханизмы

Шестерни в миллион раз более массивные, чем бактерии , говорит главный исследователь Игорь Аронсон. Возможность использовать и контролировать эне...

Распыляемые фотоэлементы заряжают энергией практически

Громоздкие и дорогие фотоэлектрические панели уже в прошлом. Что готовит нам будущее? На целые здания, крыши и даже окна распыляются революционные че...

Переход через наноАльпы

Готовится к старту самый крупный в России бизнес-проект производства светотехники нового поколения. Без него российский рынок сверхъярких светодиодов будет наполнять до...

Your are currently browsing this site with Internet Explorer 6 (IE6).

Your current web browser must be updated to version 7 of Internet Explorer (IE7) to take advantage of all of template's capabilities.

Why should I upgrade to Internet Explorer 7? Microsoft has redesigned Internet Explorer from the ground up, with better security, new capabilities, and a whole new interface. Many changes resulted from the feedback of millions of users who tested prerelease versions of the new browser. The most compelling reason to upgrade is the improved security. The Internet of today is not the Internet of five years ago. There are dangers that simply didn't exist back in 2001, when Internet Explorer 6 was released to the world. Internet Explorer 7 makes surfing the web fundamentally safer by offering greater protection against viruses, spyware, and other online risks.

Get free downloads for Internet Explorer 7, including recommended updates as they become available. To download Internet Explorer 7 in the language of your choice, please visit the Internet Explorer 7 worldwide page.