Оксид железа (III) (Fe2O3) является одним из широко встречающихся в природе соединений, которое, к тому же, не составляет труда синтезировать в искусственных условиях. Оксид железа (III) активно применяется в различных отраслях экономики, например, он служит катализатором на химических производствах, является компонентом керамики, а также используется в качестве пищевого красителя.
При этом Fe2O3 имеет полиморфную природу, т.е. существует пять структурных модификаций этого соединения, для обозначения которых ученые используют буквы греческого алфавита. При этом из всех полиморфов ε (эпсилон)-Fe2O3 характеризуется сочетанием уникальных магнитных свойств (ε-Fe2O3 относительно сложно размагнитить), высокой стабильностью и малым размером частиц. Однако данная форма оксида железа (III) крайне редко встречается в природе, поэтому для ее активного применения требуется разработать промышленную технологию получения.
«Синтез эпсилон-модификации требует точного подбора условий, важнейшим из которых является температура, иначе в результате мы получим в основном альфа-модификацию данного оксида железа – по составу то же самое вещество, но из-за изменения структуры слабомагнитное. В ходе нашего исследования мы смогли скорректировать температурные параметры процесса получения материала таким образом, что полученные на выходе образцы имели высокое содержание эпсилон-модификации оксида железа», – рассказывает аспирант кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ», инженер Инжинирингового центра микротехнологии и диагностики (ИЦ ЦМИД) Дмитрий Тестов.
Образцы ε-Fe2O3 были синтезированы из солей, содержащих железо (нитрат железа (III) и сульфат железа (II)), с использованием двух наиболее перспективных методов (пропитки силикагеля и микроэмульсии) с последующим отжигом в печи при температуре около 800-1000 градусов Цельсия в течение 240 минут. При этом общая продолжительность технологического цикла составляет до двух суток.
Как пояснил другой участник исследования, доцент кафедры физики Земли СПбГУ Андрей Костеров, в ресурсном центре «Рентгенодифракционные методы исследования» получены картины рентгеновской дифракции композитов, позволившие определить относительное содержание различных модификаций оксида железа (III) в образце. «Оказалось, что с помощью примененного в работе относительно простого метода синтеза возможно получить композиты, содержащие до 70% эпсилон-модификации оксида железа. На сегодняшний день – это наилучшие результаты, полученные в России», – сказал Андрей Костеров.
Полученные образцы внешне выглядят как наночастицы размером до 100 нанометров (0,0001 мм). Результаты работы опубликованы в научном журнале Magnetochemistry.
«Благодаря своим магнитным характеристикам полученные соединения являются перспективным материалами для создания, например, элементов памяти компьютеров или средств таргетной доставки медицинских препаратов под действием магнитного поля. В дальнейшем наша работа будет направлена на модификацию методов синтеза оксида железа с целью увеличения содержания в нем именно эпсилон-фазы», – отметил доцент кафедры МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Камиль Гареев.
Изучение свойств магнитных материалов и разработка технологий их получения является одним из ключевых направлений кафедры МНЭ и преподается студентам кафедры в рамках дисциплины «Магнитные материалы и приборы». В частности, эта работа направлена на поиск новых терапевтических агентов для медицины или развития материаловедения. Так, ранее ученые ЛЭТИ нашли новое применение для магнетитовой руды.
Магнитные свойства композитов, содержащих ε-Fe2O3, исследовались с применением аппаратуры, установленной в Научном парке Санкт-Петербургского государственного университета: ресурсных центрах «Центр диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники» и «Геомодель».
Исследования поддержаны грантом РНФ (№ 21-19-00719). В состав научного коллектива вошли ученые из ЛЭТИ, СПбГУ и Мичиганского технологического университета.