Ученым КФУ вместе с коллегами из Германии удалось получить стабильное при комнатной температуре гамма-железо

 

Ранее считалось, что эта форма железа не может существовать при температуре ниже 917 градусов Цельсия.

Частицы гамма-железа были выращены на подложке из оксида графена. Работа осуществлялась  в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, химиками и физиками Казанского федерального университета. Кроме того,  свой вклад внесли ученые   двух германских вузов – Свободного  университета Берлина  и Ульмского университета. Результаты совместного исследования  опубликованы в журнале Journal of the American Chemical Society.

«При комнатной температуре железо существует в так называемой альфа-форме, – вводит в курс дела руководитель проекта, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Перспективные углеродные наноматериалы» Химического института Казанского федерального университета Айрат Димиев. –  Если его нагреть до 917 градусов, то кристаллическая структура железа начнет  перестраиваться из альфа-формы в гамма-форму. При понижении температуры происходит обратный переход гамма-формы в привычную альфа-форму.  Две этих  формы железа различаются  не только кристаллическими решетками, но и физическими свойствами. Альфа-железо – это ферромагнетик, а гамма-железо очевидными магнитными свойствами не обладает. Гамма-форма железа не может существовать при температурах ниже 917 градусов Цельсия, а  мы ее синтезировали! По сути, мы  сделали то, чего  не может быть».

Международной группе ученых удалось обмануть природу, вырастив наночастицы гамма-железа на подложке из оксида графена.

«Синтез происходил в два этапа, – объясняет  Айрат Маратович. – Во время первого, жидкофазного, в результате  взаимодействия раствора солей железа с оксидом графена был получен нанокомпозитный материал. Затем, на втором этапе, созданный материал отжигался  при высоких температурах в инертной атмосфере. Процесс выращивания наночастиц железа достаточно сложный. При повышении температуры от комнатной до  900 градусов  железо проходит разные стадии, в результате чего появляются  аморфные соединения, оксиды, альфа-форма и, наконец, гамма-форма. Мы не доходили до порога 917 градусов – работали в диапазоне от  800 до 900 градусов Цельсия. Именно при таких температурах шло образование гамма-железа».

По мнению ученых, ключевую роль в синтезе стабильных при комнатной температуре наночастиц гамма-железа играет углерод.   Оксид графена, из которого состоит подложка,   представляет собой  одновременно и  химический реагент, восстанавливающий  металл,  и стабилизирующий наночастицы компонент.  Кроме того, стабилизировать наночастицы помогают сложные структуры их оболочек.

«Внутренний слой  оболочек представляет собой твердый раствор углерода в железе, а наружный состоит из  3-7 слоев графена. Оболочка служит буферным материалом, который контролирует содержание углерода в ядре. Мы полагаем, что стабильность гамма-формы обусловлена тем, что небольшой процент атомов углерода проникает  в ядро и таким образом стабилизирует его», – отмечает химик.

Физики Казанского федерального университета провели   рентгеноструктурный анализ синтезированного материала, а также исследовали его методом Мессбауревской спектроскопии. В том, что это именно гамма-железо, сомнений на сегодняшний день нет.

«Сейчас мы проводим много экспериментов с наноматериалом. Постепенно нам становится ясно, какие факторы приводят к увеличению гамма-фазы, а какие – к ее уменьшению, – говорит  Айрат Димиев. – Что касается применения  гамма-железа, то теоретически это могут быть сложные композиционные материалы, используемые в антеннах и в  стелс-технологиях, где необходимо исключить магнитную составляющую. Возможно также, что   гамма-железо  обладает  специфической каталитической активностью, отличной от той, которая присуща альфа-железу. Чтобы это выяснить, надо проводить специальные исследования».

на фото А : Изображение наночастиц гамма-железа , полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа.
На фото B, C, D : Изображения наночастиц гамма-железа полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения