Изучен новый механизм образования железо-углеродных наночастиц

Российские физики установили, как под действием высокой температуры и большого давления формируются покрытые углеродной оболочкой наночастицы из соединений железа с углеродом — карбидов. Эти данные помогут разработать методы синтеза нанокомпозитов с заданными свойствами для медицины, электроники и других областей. Результаты работы, выполненной при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Inorganic Chemistry.

Самое популярное направление исследований наночастиц из карбида железа с углеродной оболочкой — их применение в медицине. Поскольку они содержат железо, ими можно управлять с помощью магнитного поля, а нетоксичная углеродная оболочка делает их безопасными для человека.

Источником для получения наночастиц карбида железа в углеродной оболочке часто служит ферроцен. Это металлоорганическое соединение, каждая молекула которого содержит один атом железа и два углеводородных кольца. Наиболее распространенный метод получения наночастиц из этого вещества — лазерный пиролиз, когда ферроцен, помещенный в особую атмосферу с низким содержанием кислорода, нагревают лазером до 2500–3000 °C. В результате в молекулах ферроцена разрываются все химические связи, и сначала образуются частицы металлического железа без примесей, а затем в них проникает углерод, в ходе реакции которого с железом и формируются карбиды. В других известных методах синтеза подобных наночастиц задействован тот же механизм.

В своей работе российские физики детально изучили новый метод разложения ферроцена под воздействием высоких температур и большого давления. Было известно, что только под высоким давлением можно получить наночастицы из карбидов особого состава: Fe₃C (цементит) и Fe₇C₃. Чтобы выяснить, как происходит их формирование, ученые помещали образцы ферроцена под давление в 8 гигапаскалей (примерно в 80 тысяч раз выше, чем нормальное атмосферное) и нагревали их. Для каждого образца была выбрана своя максимальная температура — от 600 до 1600 °C. Под температурным воздействием образцы держали 20 секунд, затем давали образцу остыть до комнатной температуры и только после этого снижали давление.

Чтобы детально изучить эти образцы, физики использовали несколько разных методов, но самые значимые результаты дала мессбауэровская спектроскопия. По тому, какова длина волны поглощаемого материалом излучения от радиоактивного источника, можно определить некоторые характеристики образца. Методика очень чувствительна к железосодержащим соединениям, а потому исследователям удалось выяснить, какие именно вещества образовались в каждом экспериментальном образце.

Оказалось, что под давлением процесс формирования наночастиц из ферроцена сильно отличается от механизма, известного по другим методам. Вместо образования чистого металлического железа под давлением сначала формируется масса из аморфного карбида железа с высоким содержанием углерода. В это состояние ферроцен приходит при температуре 800 °C. При нагреве до 1200 °C карбиды кристаллизуются и образуют наночастицы, а из «лишнего» углерода формируются оболочки. В этот момент большая часть карбида находится в форме Fe₇C₃. При более высокой температуре в 1600 °C он преобразуется в цементит Fe₃C.

«Полученные результаты открывают возможности управляемого синтеза многофункциональных нанокомпозитов, — говорит ведущий автор работы Арсений Баскаков. — Мы продолжаем работу в этом направлении и уже планируем эксперимент, в котором будет меняться не температура, а время обработки ферроцена — от пяти секунд до нескольких часов. Такой подход может дать новые результаты, например, состав наночастиц может измениться».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.