Презентация Магнитные наносистемы и наноматериалы онлайн

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: 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.

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

Содержание слайда: МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ  

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

Содержание слайда: МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

Содержание слайда: МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: 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).

Содержание слайда: 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).

Содержание слайда: 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.

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

Содержание слайда: Получение магнитных наночастиц гидролизом солей Получение магнитных наночастиц гидролизом солей

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда:

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