Диссертация (1097714), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Такие частицы называютчастица-в-оболочке (core-in-shell) (рис.1.11) [81-83 ]Частицы магнитных сплавовжелезазарекомендовали себя вэлектроннойиндустрии, а также в химической и биомедицинской промышленности [79] . Наиболеераспространенными методами их получения являются методы «мокрой» химии, а такжепосредством твердофазных реакций между чистыми металлами. При получениимагнитных биметаллических частиц, как правило, используются железо, никель икобальт, редкоземельные металлы.Недостатком таких частицявляется то, что ихнамагничивание падает по мере окисления поверхности при контакте с атмосфернымкислородом.Серьезной проблемой считаютслипание (агломерирование) магнитныхчастиц в агрегаты, что может осложнить получение материалов с необходимымгомогенным распределением компонентов.Известные оксиды железа, обладающие различными магнитными свойствами,являются в настоящее время наиболее востребованными материалами и структурнымиэлементами ряда функциональных систем [84-90].
Антиферромагнитный при температурениже 950 К и обадающий «слабым» ферромагнетизмом выше точки Морина (260 К)гематит -Fe2O3 с ромбоэдрической структурой и ферримагнитный при температуре ниже620 С маггемит γ- Fe2O3 с кубической решеткой научились получать в виде частиц сдостаточно узким распределением по размерам. Однако, свойства, присущие массивномусостоянию в значительной степени претерпевают изменения, которые зависят и отспособа получения и от степени дефектности и стехиометрии структуры.ЧастицымагнетитаFe3O4сошпинельнойструктурой,являющегосяферримагнетиком при температуре ниже 858 К наиболее часто получают действиемоснований на раствор смесей солей двух и трехвалентного железа в инертной атмосфере.ЧастицывюститаFeOкубическогооксидадвухвалентногоантиферромагнитного в массивном состоянии (Тс=185 К)механоактивацииоксидовжелезаспоследующимжелезаиполучают методамивысокотемпературнымвосстановлением.Магнитные свойства наночастиц оксидов железа нашли свое применение преждевсего в фармакологии и наномедицине.
Во многом это обусловлено универсальностью ихсвойств:суперпарамагнитныеметаболитом,обладаютнизкойнаночастицытоксичностью,магнетита,воявляясьвнешнемполеестественнымспособныкмагнитотаксису, а из-за низкого удельного сопротивления используются для гипертермии.32Существенное сокращение спин-спиновой релаксации протонов позволяет, например.применять функционализированные белковыми молекулами наночастицы магнетита дляусиления контраста в магнитно-резонансной томографии.В случае железосодержащих нанопорошков, нанокомпозитов определенный вкладв свойства оказывают межчастичные взаимодействия, при этом существенным факторомявляется регулярность расположения частиц. Это взаимодействие может приводить кизменению температур переходов между магнитными состояниями.§1.5.
Композитные материалы, содержащие частицы железа и егосоединенийСовременные технологии позволяют получать наночастицы металлов и их соединенийзаданных составов и размеров, а затем формировать из них с помощью различных матриц истабилизирующих систем пространственные структуры, обладающие функциональнымисвойствами.Одним из способов формировать композитные структуры и частицы композитнойструктуры с размерами структурных элементов нанометрового диапазона являются методымеханохимической активации и механохимии.Механохимический синтез является методом получения наноразмерного состояния,неравновесных фаз и композитных структур в случаях, когда традиционные химическиеметоды испытывают технологические затруднения.Механокомпозиты рассматривают как морфологически метастабильные структуры сбольшойплотностьюмежфазныхграницмеждукомпонентами,обеспечивающиенеобычайно развитую контактную поверхность и очень высокую концентрацию дефектоввследствие большого числа атомов на поверхности и в приповерхностных слоях.Главный недостаток этого метода синтеза – загрязнение получаемых продуктовматериалом мелющих тел, барабанов и продуктами механохимической реакции исходныхкомпонентов с атмосферой, в которой проводится синтез.
Свести эти эффекты к минимумупозволяет существенное ограничение времени пребывания веществ в условиях интенсивноймеханической активации. Для этого используют высокоэнергетические мельницы, сэффективым отводом выделяющегося тепла.Функционально значимые свойства наноструктурных материалов определяются спектромразличных факторов, среди которых необходимо выделить химический состав, структура,степень ее дефектности, размер и форма частиц морфология, взаимодействие частиц сокружающей их матрицей и соседними частицами.
Изменяя определенный фактор, можно в33некоторых пределах управлять свойствами материала. Однако контролировать все влияющиефакторы при синтезе не всегда удается, это обуславливает то, что свойства однотипныхнаноматериалов могут сильно различаться.Основные проблемы при синтезе композитных наноматериалов это 1) неравновесностьсистем, их неустойчивость, склонность к агрегации и спонтанному росту зародышей и частиц;2) Достижение однородности как в пределах одной частицы, так и между частицами; 3)vонодисперсность частиц, достижение узкого распределения по размерам.
Для получениянаноструктур с заданными характеристиками требуется умение прогнозировать течениенеравновесных процессов и иметь возможность управлять этими процессами, учитываяметастабилность и высокую реакционную способность.Кроме того, существует проблема точного массового воспроизведения наноструктур.Считают, что увеличить воспроизводимость наносистем можно путем оптимизациивоздействий (химических, механических, тепловых, электромагнитных).Следует отметить, что на современном этапе передовые научные школы в областиматериаловедения микро- и наносистем интенсивно изучают возможности применения нетолько процессов совместной самосборки и направленной самосборки для создания новыхнаноматериалов, но и процессов иерархической самосборки.
Появившиеся в последние годыпубликации по иерархическим материалам, описывают их каксостоящие из элементовнескольких масштабов, организованных таким образом, что в них элементы меньшегомасштаба вставлены в элементы большего масштаба. Иерархическая архитектура организациифункционального материала позволяет в рамках единой технологии создавать материалы сбольшим разнообразием «полезных» характеристик, управляя составом или строениемсубструктур на одном или нескольких уровнях иерархической архитектуры.
В настоящеевремя уже имеется ряд примеров искусственных функциональных иерархических материалов,как пленочных, так и объемных.Значительный прорыв вобласти технологий наноструктурных материалов,произошедший в последние годы, связан не только с разработкой эффективных методовполучения, стабилизации и управления свойствами наноструктурных материалов и частиц,но и с развитием физических методов исследований и приборной базы для всестороннегоизучения механизмов формирования функциональности наноструктур.А также спривлечением методов компьютерного моделирования структуры и свойств материалов сцелью прогнозировать процессы в материалах на макро-, мезо- и микроуровнях. При этомнаибольший интерес со стороны физики наносостояния представляет моделирование на34атомном уровне.
Для каждого из уровнеймоделирования разрабатывают определенныенаборы математических методов и решений.Развитие методов численного моделирования невозможно без накопления информацииотносительно определенных свойств материалов, которое может быть достигнуто сиспользованием подходов реального эксперимента.Возросшие в последнее время возможности вычислительной техники позволилииспользовать методы компьютерного моделирования для исследования механизмовмиграции атомов и трансформации структуры при температурно-силовых воздействиях,требующихболееэкспериментов.продолжительныхиотносительносложныхкомпьютерныхОднако и эти методы испытывают сложности при необходимостимоделировать сложные системы с набором разных состояний, полидисперсностью,различными типами взаимодействия и пр. Кроме того, при рассмотрении свойств частицматериала, имеющих размеры порядка десятков и сотен нанометров,в которых посравнению с большими объектами возрастает доля поверхностных атомов или молекул посравнению с атомами в объеме, необходимо иметь ввиду, что.
электрические, магнитные,механические и некоторые другие свойства материала, состоящего из наночастиц,перестают быть постоянными и начинают зависеть от формы частиц, размеров, приразличных температурах и наличии различных типов дефектов и несовершенств.В качестве примера, можно привести структурные превращения, происходяшиепри механической активации частиц материала и смесей разных составов, которые имеютсвою стадийность (последовательность). Каждая стадия отличается структурнымсостоянием, дефектностью,характером взаимодействия между субструктурнымиединицами. Задача моделирования многокомпонентных, многофазных и полидисперсныхсистем еще более усложняется.
В таких системах расположение атомов не изотропно, сналичием химических связей разного типа. Среди наиболее сложных проблем,возникаюших при моделировании таких систем, выделяют, например, проблемуоптимального выбора межатомных потенциалов взаимодействия, подбор эффективныхзарядов атомови выбор граничных условий.моделирования должно обеспечитьЗадание начальных параметроввоспроизведение различных физических свойствконкретного материала – структурные, упругие, термодинамические характеристики и др.Привлечение метода молекулярной динамики для описания структурно-энергетическихпревращений в этих процессах в зависимости от состава, размеров частиц и длительностивоздействия, локального разогрева позволило бы спрогнозировать ход реакции.35Однако, это возможно толькоусловийэксперимента(расчета),при точном задании начальных или граничныхнапример,структуробразующихсянаэтапахвзаимодействия, интерфейсных областей, распределения размеров и др.
особенностейконкретной системы.Точные данные о локальной структуре, фазовом составе, валентном, спиновом имагнитном состоянии, размерных параметрах компонентов материала позволяют найтивозможности верифицировать потенциалы взаимодействия, разработать специальныесмешанные потенциалы (для систем с разным типом взаимодействия), а такжеподтвердитьилиопровергнутьпредварительныерассчетыизболеепростыхпредположений.КРАТКИЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ Железосодержащиенаноструктурныеконсолидированные или изолированные частицыматериалы,наноструктурныежелеза и его соединений, а такжесформированные из них композиты (порошкового вида, компактированного, пленки ислои) являются чрезвычайно важными для технологии современных функциональныхматериаловкакконструкционногоифункциональногоназначения,такиинтеллектуальных. Физико-химические свойства таких систем существенно зависят от микрои наноструктуры, ее особенностей и стабильности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
