Изменение магнитных свойств нанопроводов

Актуальность

Нанопровода – поликристаллические цилиндрические наноматериалы (диаметр от 10 до 1000 нм, длина на 3 порядка больше диаметра), основным свойством которых является анизотропия формы, которая ведёт к анизотропии некоторых физических свойств. Нанотехнологии находят широкое применение во многих областях человеческой жизни. Одно из интересных направлений – это получение магнитных наноразмерных частиц для адресной доставки лекарств.

Магнитные наночастицы используются как начинка стенок малых полимерных капсул с лекарством. При этом образуется возможность управлять капсулой за счет изменения магнитного поля, а также возможность её разрыва при резком изменении этого поля. Эта возможность связана с сильной анизотропией формы нанопроводов. Разрыв капсулы происходит при вращении цилиндрических наночастиц, что принципиально отличает их от сферических наночастиц и частиц произвольной формы.

Цель

Получение магнитных частиц с температурой Кюри ниже 100°С (при таких температурах возможна работа с полимерными капсулами).

Задачи

1. Синтез нанопроводов при различных значениях напряжения осаждения и концентрации немагнитного металла.
2. Исследование зависимости температуры фазового перехода ферромагнетик – парамагнетик от параметров.
3. Прогнозирование подходящих условий на основе зависимости и проведение элементного анализа полученных образцов.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Катушка Теслы
• Чашка Петри
• Агломерат
• Дистиллированная вода
• Два постоянных магнита
• Тонкая полоска из немагнитного металла (Cu)
• Термометр ртутный
• Штатив с лапкой
• Стеклянный мерный стакан
• Гальваностат
• Электронный микроскоп
• Электронные весы

Описание

Работа над проектом состояла из выполнения нескольких экспериментов.

Первый эксперимент подтверждал гипотезу о возможности разделения нанопроволок при помощи статического электричества. Ожидаемый результат достигнут не был. Таким образом, гипотеза о возможности разделения нанопроволок при помощи статического электричества не подтвердилась

Второй эксперимент определял температуру Кюри исследуемого образца. Два постоянных магнита были закреплены с двух сторон тонкой медной полоски, в лапке штатива был закреплён ртутный термометр, опущенный в стеклянный мерный стакан, в котором находилось небольшое количество дистиллированной воды. На стакан положили полоску меди с постоянными магнитами, к нижнему из них был примагничен образец. Авторы в стакан медленно заливали кипяток. При достижении температуры в стакане определённой отметки, образец переставал взаимодействовать с магнитом, т.е размагничивался и шёл ко дну. В этот момент эксперимент можно считать завершенным. Температурой Кюри образца можно считать температуру воды в стакане.

В третьем эксперименте было оценено изменение магнитных свойств постоянных магнитов, используемых при измерении температуры Кюри. Результат: при температуре магнита свыше 83 градусов Цельсия показания весов изменились. Это значит, что измеряемые значения температуры Кюри нанопроволок, оказавшиеся выше этого значения, невозможно считать корректными.

Далее была начата серия экспериментов по изменению содержания в проволоках меди путём изменения ее содержания в осаждаемом электролите. В ходе измерения температуры Кюри получаемых образцов было установлено, что изменение содержания меди в исходном электролите на 1 г/л ведёт к изменению температуры Кюри нанопроволок на 20-30 градусов Цельсия. В связи с этим от этого подхода также решено было отказаться.

Было получено более 20 образцов нанопроводов. У всех образцов была измерена температура фазового перехода ферромагнетик – парамагнетик. Был построен график зависимости температуры фазового перехода от напряжения осаждения. Между двумя ломаными, представленными на графике, находится область перехода, в пределах которой лежит температура Кюри для данного сплава; эта область обозначена розовым цветом.

Результаты работы/выводы

Было установлено, что при изменении напряжения осаждения на 0,1В температура фазового перехода изменяется на 5-8 градусов Цельсия. На основе полученной зависимости был подобран нужный режим работы установки по синтезу образцов. Элементный анализ показал аномально высокое содержание меди в образцах.

При такой её примеси в объемных материалах не должны проявляться ферримагнитные свойства. Объясняется эта странность аномальными физическими свойствами нанопроводов, которые вытекают из их размеров и формы.

Перспективы использования результатов работы

Планируется провести рентгено-структурный анализ полученных образцов с целью изучения их структуры. Это позволит понять, как распределён в нанопроводах немагнитный металл. Это может очень сильно повлиять на другие свойства нанопроводов, например на их прочность.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ИК РАН

Награды/достижения

Всероссийская научно-практическая конференция одаренных школьников «Intel-Авангард» – призер.

XVIII Балтийский научно-инженерный конкурс – призер II степени.

Всероссийский конкурс научных работ школьников «Юниор» – призер III степени.