Ученые из Института катализа СО РАН совместно с коллегами из Екатеринбурга, Франции и Бельгии смогли описать распределение наночастиц кобальта по размеру с помощью метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) во внутреннем поле образца. Это относительно новая методика, и исследователям удалось на практике показать ее эффективность. Определение размера синтезированных наночастиц кобальта необходимо для повышения эффективности их использования.

Наночастицы кобальта используются в катализе, в том числе в реакции Фишера-Тропша для получения синтетических топлив, в магнитно-резонансной томографии, в устройствах связи, аккумуляторах и покрытиях, поглощающих и отражающих излучение на выбранных частотах. Первые работы по этой теме вышли в 2013 году в ACS Catalysis и в 2016 году в Nature Communications, но в них для сопоставления полученных размеров наночастиц с данными электронной микроскопии использовался поправочный коэффициент 2.5. В новой работе данные полностью согласуются с теорией.

«При синтезе наночастиц кобальта возникает проблема с описанием их размера, так как диаметры частиц в образце всегда варьируются в некоторых пределах. Обычно данную задачу решают методами электронной микроскопии, но в этом случае за один раз исследуется очень малая доля наночастиц, присутствующих в образце. В итоге сложно понять, насколько точно полученные данные соответствуют реальному распределению. Мы использовали свойства наночастиц кобальта — сильное внутреннее магнитное поле и путем наблюдения за изменением магнитного момента при повышении и понижении температуры смогли описать их распределение по размеру», — рассказал младший научный сотрудник группы твердотельной ЯМР-спектроскопии Института катализа СО РАН Илья Яковлев.

Макроскопические частицы кобальта могут находиться в разных магнитных состояниях в зависимости от размера. Многодоменные частицы диаметром больше 70 нм считаются классическими ферромагнетиками. Если диаметр частицы меньше, ее энергетически выгодное состояние частицы – однодоменное. Каждый тип частиц обладает своей резонансной частотой в радиочастотном диапазоне, что позволяет различать их на ЯМР-спектрах.

При уменьшении размера частицы сохраняют собственный магнитный момент, направленный в одну сторону. Но у самых маленьких частиц (5–10 нм в диаметре) возникает эффект произвольного переворота магнитного момента из-за изменений температуры. Такое состояние частицы называется суперпарамагнитным. Эксперимент длится 10–20 микросекунд, и если за это время магнитный момент маленькой частицы перевернется, то полученная информация стирается — сигнала от таких частиц не поступает.

Скорость переворота магнитных моментов частиц и их переход в суперпарамагнитное состояние напрямую зависят от температуры: чем она выше, тем более вероятен переворот намагниченности частицы. Таким образом, понижая температуру (в эксперименте — до 30 K), ученые смогли наблюдать большее количество частиц. Из разности спектров, которые были получены при высокой и низкой температурах, можно узнать, сколько частиц определенного размера находится в образце. Важная особенность метода состоит в том, что данные получаются для всего образца сразу, в отличие от микроскопических методик, которые дают информацию лишь о его малой части.

Статья Superparamagnetic behaviour of metallic Co nanoparticles according to variable temperature magnetic resonance опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.