Наночастицы оксида железа под экстремальным давлением: открытие новых магнитных свойств

Технология блокчейн Интервью с лидерами отрасли

Оксид железа Fe3O4, широко известный как магнетит, давно привлекает внимание исследователей благодаря своим уникальным магнитным свойствам и устойчивости. В последние годы интерес к этому материалу усилился с появлением нанотехнологий, поскольку наночастицы Fe3O4 обладают особыми параметрами, которые существенно отличаются от свойств их массовых аналогов. Однако новое направление в изучении магнетита связано с воздействием экстремального давления на наноструктуры, и оно позволяет получить по-настоящему уникальные магнитные характеристики. Ученые провели серию экспериментов, в ходе которых наночастицы оксида железа, размер которых составляет около пяти нанометров, подвергались сжатию в алмазной наковальне, создающей изостатическое давление до 18.8 гигапаскалей.

При этом исходные наночастицы были организованы в сверхрешетки с кубической плотной упаковкой. По мере увеличения давления межчастичные расстояния сокращались, и, достигнув определенного порога в области 10 гигапаскалей, частицы сближались настолько, что начинали образовывать цепочки – своего рода нанопроволоки длиной до нескольких сотен нанометров. Такая перестройка структуры приводила к кардинальным изменениям магнитных свойств системы. В отсутствии давления магнитная анизотропия и коэрцитивная сила были минимальными, практически не проявляясь, что характерно для дискретно расположенных сферических наночастиц с низкой изначальной магнитной анизотропией. После сжатия же в цепочки эти наночастицы демонстрировали значительное увеличение магнитной анизотропии с эффективной постоянной порядка 2.

9×10^5 Дж/м³, а также присутствие существенной коэрцитивности, что свидетельствует о проявлении магнитного упрочнения. Такое явление получило название суперструктурной магнитной анизотропии. Отдельные наночастицы, будучи маленькими, обладают относительно низкой собственной магнитной анизотропией и склонны к суперампермагнитному состоянию при комнатных температурах. Однако формирование цепей из этих наночастиц, прижимаемых друг к другу, приводит к сильному взаимодействию магнитных диполей, благодаря которым возникает новая коллективная анизотропия по всей суперструктуре. Эти межчастичные взаимодействия оказывают максимальное влияние при плотной упаковке, создавая тем самым по сути новую магнитную систему.

Результаты подкрепляют экспериментальные данные, полученные с помощью методов электронной микроскопии высокого разрешения и синхротронного рентгеновского рассеяния. Картина показывает переход от кубической структурной формы отдельных наночастиц к более сложной орторомбической фазе при повышенных давлениях, что сопровождается необратимыми изменениями структуры уже на атомарном уровне, подтверждая тем самым трансформацию не только в мезоструктуре, но и в кристаллической решетке. Важной частью исследования стала изучение магнитных свойств полученной цепной структуры с помощью измерений на установках физических свойств. Анализ температурной зависимости намагниченности при нулевом и постоянном магнитных полях выявил значительный сдвиг температуры блокировки, указывающий на сильную магнитоанизотропию и устойчивость магнитного состояния наночастиц в новой сверхструктуре. При этом коэрцитивная сила при низких температурах повысилась с нуля до нескольких сотен оерстед, что значительно превосходит параметры сжимаемых индивидуально частиц.

Немаловажное значение имеют и результаты микромагнитного моделирования. Использование численных методов решающих уравнения Ландау-Лифшица-Гилберта позволило смоделировать поведение магнитных моментов в цепочке из семи сферических наночастиц, учитывая различные кристаллографические структуры и расстояния между частицами. Выяснилось, что ориентация частиц вдоль оси с наименьшей магнитной энергии обеспечивает максимальную коэрцитивность, а также что взаимодействия между магнитными диполями существенным образом повышают энергетический барьер для изменения направления магнитного момента, укрепляя магнитное состояние всей цепочки. Более того, плотное расположение наночастиц с минимальными промежутками между ними способствовало максимальному эффекту магнитного упрочнения. Сравнение экспериментов и моделирования подчеркивает важность организации наночастиц не только в физическом контакте, но и в определенной орфографии.

Несовершенная ориентация и наличие промежутков между частицами в реальных образцах объясняют то, что измеренный экспериментально уровень коэрцитивной силы ниже теоретически предсказанного идеального случая. Тем не менее, наблюдаемое существенное усиление магнитной анизотропии и появление коэрцитивности уже представляет собой революционное достижение, открывающее новые перспективы в управлении магнитными свойствами путем структуриования наноматериалов под давлением. Практические применения новых данных связаны с развитием высокоэффективных магнитных устройств, где важна стабильность магнитного распорядка и высокая коэрцитивность. Например, в области магнитных носителей информации, сенсоров, биомедицины и решений для энергетики повышение магнитной анизотропии при небольшой массе материала и отсутствии необходимости использования редкоземельных элементов является важным преимуществом. Возможность управлять магнитными свойствами наночастиц путем давления дает дополнительный инструмент для создания перспективных материалов.