Ученые Института физики им. Л.В. Киренского Красноярского научного центра СО РАН (КНЦ СО РАН) научились синтезировать магнитные наночастицы с ядром из никеля и непроводящей ток углеродной оболочкой. Порошки с такими частицами могут применяться для изготовления сердечников высокочастотных трансформаторов и ферромагнитных жидкостей. Результаты работы опубликованы в Journal of Magnetism and Magnetic Materials.

Свойства металлических частиц, покрытых слоем другого неметаллического вещества, заинтересовали исследователей несколько десятков лет назад. Уже тогда считалось, что структура «ядро-оболочка» может иметь как фундаментальное, так и прикладное значение.

Ученые Института физики им. Л.В. Киренского КНЦ СО РАН разработали технологию синтеза магнитных наночастиц с ядром из никеля и непроводящей ток углеродной оболочкой. Такие частицы исследователи получили путем распыления смеси никеля и углерода в плазме. Вначале вещество переводится в плазменное состояние. При охлаждении, углерод растворяется в никелевых кластерах, которые слипаются (коагулируют) до образования частиц. Когда эти частицы остывают до температуры 700°C, углерод выдавливается на их поверхность. По мере охлаждения частицы продолжают коагулировать, и на них конденсируется углерод из плазмы.

Оказалось, что порошок, состоящий из таких частиц, в зависимости от параметров синтеза, обладает разными проводящими свойствами. Оболочка никелевой частицы устроена сложным образом, ближайший слой, прилежащий к никелю это карбид никеля (соединение никеля и углерода). Далее, расположен слой, соответствующий по структуре алмазу, а самый верхний и наиболее толстый – графит. Меняя параметры синтеза можно управлять толщиной этих слоев, а, следовательно, и проводящими свойствами образующихся частиц. 

Применение таких порошков с улучшенными характеристиками в основном связано с наличием у них магнитных свойств и маленького размера всего в несколько десятков нанометров. Наилучшим образом они подходят для изготовления ферромагнитных жидкостей и сердечников высокочастотных трансформаторов. Первые применяются в машиностроении и во многих аналитических приборах для отвода тепла, снижения трения или создания герметичного соединения, вторые используются для снижения потерь энергии при нагреве трансформаторов. По словам доктора технических наук, профессора, заведующего лабораторией аналитических методов исследования вещества Института физики им. Л.В. Киренского КНЦ СО РАН Григория Чурилова, ранее при изготовлении таких устройств использовали более дешевые порошки с частицами больших размеров.

Сейчас ученые работают над созданием так называемых «нанесенных катализаторов» с золотой или платиновой оболочками. В данном случае на углеродную поверхность наносят каталитически активный металл. Такие катализаторы найдут применение в медицине, химическом производстве и малой энергетике. Вследствие того, что каждое ядро с оболочкой обладает магнитными свойствами, врачи и химики смогут управлять наночастицами, покрытыми благородными металлами, тогда как раньше они использовали в работе инструменты из золота или платины без управляемых характеристик.

«Нанести плазменным методом благородные металлы непосредственно на магнитный металл затруднительно, так как, образуются сплавы (один металл растворяется в другом). При химическом нанесении металла на углерод обычно образуются негомогенные оболочки, а, так называемые декорированные, то есть, не полностью закрывающие материал ядра. Скорее всего, это связано с плохой смачиваемостью материала частицы, наносимым материалом. Управляя структурой углерода на поверхности никелевой частицы, мы можем надеяться на осуществление гомогенного нанесения благородных металлов на нее», – рассказал Григорий Чурилов.

Работа выполнена в рамках проекта, поддержанного Министерством образования и науки Российской Федерации.