Материаловедение

Вы когда-нибудь пытались объяснить трехлетнему ребенку, что такое атомы? Нет? И правильно, ибо впоследствии ребенок будет бегать по всему дому, детской площадке и магазину, тыкать пальцем на любой предмет и спрашивать И тут тозе атомы?. Если же серьезно, любопытство, присущее детям, это то, что часто становится движущей силой многих открытий взрослых дядь и теть в белых халатах. Возвращаясь к атомам, все мы знаем, что они являются основными строительными кирпичиками всего, что нас окружает, и нас в том числе. Цементом, связывающим атомы между собой, являются заряженные частицы (ядра или электроны). Разные вещества формируются за счет разных вариантов взаимодействия (связи) электронов. Ученые из Нагойского университета (Япония) обнаружили, что охлажденный до -58 C оксид вольфрама цезия (CsW₂O₆) демонстрирует необычную связь электронов, которую ранее обнаруживали исключительно в триводородных ионах, найти которые можно в межзвездном пространстве. Как подобная связь электронов влияет на свойства материала, в чем ее уникальность и что это значит для будущих исследований в области материаловедения? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Авторы сего труда отмечают, что понимание фазовых переходов кристаллических твердых тел является одной из основных задач в материаловедении. Сюда относится и электронные фазовые переходы в соединениях переходных металлов с пирохлорными* структурами, состоящими из трехмерных сетей тетраэдров.

Пирохлор* минерал из класса оксидов и гидрооксидов, являющийся сложным оксидом натрия, кальция и ниобия с дополнительными анионами. Формула пирохлора выглядит так: (NaCa)₂Nb₂O₆ (OH,F).

В качестве примера ученые приводят магнетит Fe₃O₄, который демонстрирует переход металл-диэлектрик*, сопровождаемый зарядовым упорядочением Fe при 119 К, называемым переходом Вервея*.

Переход металл-диэлектрик* обозначает, что вещество при определенных условиях демонстрирует свойства металла (например, проводимость), а при других условиях свойства изолятора.

Переход Вервея* фазовый электронно-упорядочеваемый переход, который происходит в смешанновалентной системе и приводит к упорядочению формальных валентных состояний в низкотемпературной фазе.

Полного понимания этого перехода пока нет, хоть и было проведено множество исследований и опытов. Тем не менее, научное сообщество уделяет все больше внимания изучению переходов металл-диэлектрик, сопровождаемых магнитным упорядочением все в одном в 5d-оксидах (например, Cd₂Os₂O₇ и Nd₂Ir₂O₇). Основной причиной популярности таких переходов является возникновение ферроического упорядочения протяженных магнитных октаполюсов и образование фермионов Вейля* в твердом теле.

Фермион Вейля* безмассовый тип фермиона со спином 1/2.

Фермион* частица с полуцелым значением спина. К фермионам относятся кварки (протоны и нейтроны), лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны, нейтрино), дырки (квазичастицы в полупроводнике), а также квантовомеханические системы, состоящие из нечетного числа фермионов.

В данном исследовании ученые описывают самоорганизацию 5d электронов при электронном фазовом переходе -пирохлора оксида CsW₂O₆, обнаруженную в высококачественных монокристаллах. Ранее сообщалось, что CsW₂O₆ обладает кубической решеткой с пространственной группой Fd3m при комнатной температуре. В таком случае атомы W образуют структуру пирохлора и имеют валентность 5.5+ с электронной конфигурацией 5d^0.5. Измерение удельного электрического сопротивления поликристаллических образцов показало, что переход металл-диэлектрик происходит при температуре 210 К (-63.15 C).

Также ранее сообщалось, что кристаллическая структура диэлектрической фазы имеет орторомбическую пространственную группу Pnma. Однако теоретические исследования показали, что это не соответствует действительности. Расчеты электронной структуры Fd3m фазы показали, что существует сильное влияние поверхностей Ферми, которое вызывает понижение симметрии до пространственной группы P4₁32.

* Pnma, Fd3m и другие относятся к кристаллографическим группам симметрии, которые описывают все возможные симметрии бесконечного количества периодически расположенных в трехмерном пространстве точек. Более детальную информацию касательно кристаллографических групп можно найти тут.

Недавние фотоэмиссионные эксперименты с тонкими пленками образцов показали, что валентность W в диэлектрической фазе диспропорционирует в 5+ и 6+.

Результаты исследования

Для начала стоит рассмотреть фазовый переход, который происходил при температуре 215 К.


Изображение 1

В кварцевой трубке были подготовлены монокристаллы CsW₂O₆ (1а) и W-дефицитного CsW1.835O6. На графике 1b видно, что удельное сопротивление (p) монокристалла CsW₂O₆ сильно возрастает при понижении температуры ниже отметки T_t = 215 К, что наблюдалось и в случае поликристаллических образцов и тонких пленок.

Это увеличение сопротивления сопровождается небольшим, но вполне очевидным гистерезисом температуры. Это указывает на то, что фазовый переход первого рода происходит именно при T_t (т.е. при 215 К). В данном исследовании фазы выше и ниже T_t называются фаза I и фаза II соответственно.

Магнитная восприимчивость () сильно уменьшается ниже T_t (1b), что также идентично поликристаллическому образцу. Однако линейная ширина спектров ¹³³Cs-ЯМР в фазе II не показывает какого-либо значительного уширения по сравнению с фазой I (1f). Из этого следует, что уменьшение в фазе II не вызвано антиферромагнитным упорядочением.

На изображении 1с показаны рентгенограммы монокристалла CsW₂O₆, полученные при 250 К (фаза I) и 100 К (фаза II). Каждое из дифракционных пятен при 250 K было проиндексировано на основе кубической ячейки a = 10.321023(7) с пространственной группой Fd3m, в соответствии с предыдущими исследованиями. На дифракционной картине при 100 К появляется больше дифракционных пятен. Все они были проиндексированы на основе кубической пространственной группы P2₁3 с постоянной решетки a = 10.319398(6) , что практически идентично a фазы I. Подобное изменение дифракционных пятен происходит при T_t, как видно из температурной зависимости интенсивности (1d).

Также стоит отметить, что в фазе II дифракционные пятна не разделяются на несколько пятен и не меняют свою форму даже в области высокого угла (1с). Класс Лауэ* и кристаллическая система, определяемые наблюдаемыми отражениями, ясно указывают на то, что структурное изменение, которое сохраняет кубическую симметрию, происходит при T_t, а фаза II имеет класс Лауэ m3.

Классы Лауэ* кристаллографический класс симметрии, у которого есть центр симметрии. Из всех 32 классов лишь 11 считаются классами Лауэ. Класс m3 это дитригонально-пирамидальная система.

Как видно из поляризационной зависимости Рамановских спектров поверхности (111), измеренных при 100 К (фаза II) и комнатной температуре (фаза I на 1e) спектры фазы II не зависят от угла поляризации, как в фазе I. Это свидетельствует о наличии трехкратной вращательной симметрии, перпендикулярной (111), что согласуется с предполагаемой кубической симметрией.

Данные результаты означают, что структурная модель Pnma, предложенная на основе данных порошковой дифракции*, является неверной.

Порошковая рентгеновская дифракция* метод исследования вещества путем дифракции рентгеновских лучей на образце в виде порошка.

Дополнительным подтверждением ошибочности Pnma является факт того, что данная модель имеет псевдотетрагональное искажение около 0.03%, но в данном исследовании этого не наблюдалось.

В поликристаллическом образце CsW₂O₆ W-дефицитный CsW_1.835O₆ всегда существует в качестве примесной фазы. Ученые считают, что в процессе определения природы фазы II важную роль сыграл факт того, что монокристаллы CsW₂O₆ и W-дефицитного CsW_1.835O₆ были получены отдельно, а измерения дифракционных и физических свойств выполнялись именно на монокристаллах.


Таблица 1: кристаллографические данные CsW₂O₆ фазы I (250 К).


Таблица 2: кристаллографические данные CsW₂O₆ фазы II (100 К).


Таблица 3: кристаллографические данные CsW_1.835O₆ (30 К).


Температурная зависимость сопротивления (вверху) и магнитной восприимчивости (внизу) монокристаллов CsW_1.835O₆.

На следующем этапе исследования ученые более детально рассмотрели кристаллическую структуру фазы II.

В фазе I с пространственной группой Fd3m каждый из атомов Cs, W и O занимает один участок, где атомы Cs и W образуют структуры алмаза и пирохлора соответственно (2а).


Изображение 2

В фазе II с пространственной группой P2₁3 атомы Cs занимают два разных центра и образуют структуру сфалерит (названную в честь одноименного минерала, также именуемого цинковая обманка*) (2b).

Обманками* называют минералы, которые не являются металлическими рудами, но обладают полуметаллическим блеском и другими признаками (цвет, плотность), присущими как рудам металлов, так и минералам.

Это было дополнительно подтверждено двумя пиками в спектрах ¹³³Cs-ЯМР, соответствующими двум областям Cs, которые проявляются в виде небольшого расщепления пиков в случаях 200, 160 и 125 K (1f).

С другой стороны, атомы W занимают два участка с соотношением 1:3 в фазе II (2b и 2c), что несовместимо с зарядовым упорядочением W⁵⁺ W⁶⁺ атомов W⁵⁺ и W⁶⁺ в соотношении 1:1.

В соответствии с расчетом валентной суммы связи для расстояний W O, определенным из рентгеноструктурного анализа монокристалла, валентности атомов W(1) и W(2) была равна 6.07(3) и 5.79(3) при 100 К (фаза II) соответственно.

Учитывая, что параметры валентной суммы надежной связи W⁶⁺ доступны, а параметры W⁵⁺ нет, логично, что атомы W(1) являются W⁶⁺ без 5d электронов. В этом случае валентность атомов W(2) становится равной 5.33+ с электронными конфигурациями 5d^2/3.

Из вышеописанных расчетов следует, что зарядовое упорядочение с нецелой валентностью имеет место при T_t. Фактически, монокристаллы W-дефицитного CsW_1.835O₆, где все атомы W имеют валентность 6+ без 5d электронов, не показывают переход при T_t.

В фазе II атомы W(2) образуют трехмерную сеть из маленьких и больших правильных треугольников, которые поочередно связаны друг с другом общими углами (2b). Хотя разница в размерах между большим и малым треугольниками составляет около 2%, расположение занятых 5d-орбиталей между ними совершенно различно, что приводит к образованию тримера W₃ в небольшом треугольнике. Если бы не было чередования треугольников W₃, подрешетка W имела бы гиперкагомную (трехмерная структура из связанных треугольников) структуру (2с). Наличие чередования указывает на то, что структура дышащего гиперкагома (т.е. с зазорами, в отличие от равномерного гиперкагома) формируется во время фазы II.

Зарядовое упорядочение в фазе II CsW₂O₆ любопытно тем, что условие Андерсона поддерживается необычным образом. Андерсон говорил, что у магнетита есть бесконечное число моделей упорядочения зарядов, когда все тетраэдры в структуре пирохлора имеют одинаковый полный заряд (это и есть условие Андерсона), и это макроскопическое вырождение сильно подавляет температуру перехода Вервея.

Тем не менее, есть сведения о том, что не только магнетит, но и другие смешанно-валентные пирохлорные системы, такие как CuIr₂S₄ и AlV₂O₄, демонстрируют упорядочение зарядов, которое нарушает условие Андерсона. В таком случае энергия, полученная за счет -связи между d-орбиталями соседних атомов, должна быть достаточно большой, чтобы компенсировать потерю кулоновской энергии из-за нарушения условия Андерсона.

Но в случае с CsW₂O₆ ситуация иная. Его зарядовое упорядочение удовлетворяет условие Андерсона, где каждый тетраэдр состоит из трех атомов W^5.33+ и одного атома W⁶⁺. Однако этот формат упорядочений отличается от предложенного Андерсоном и Вервеем, где валентности были целочисленные с соотношением 1:1.

Упорядочение гиперкагомного типа часто появляются в пирохлорных системах с соотношением двух видов атомов 1:3. Таким образом, CsW₂O₆ является на данный момент единственным примером упорядочения гиперкагомного типа с нетривиальной природой формирования.

Возникает вполне ожидаемый вопрос почему именно такой формат упорядочения возникает в CsW₂O₆? По словам ученых, ответ можно получить, внимательнее рассмотрев неустойчивость поверхности Ферми электронной зонной структуры фазы I, т.е. понять движение и взаимодействие электронов в этой фазе.


Изображение 3

Слева на изображении выше показана зонная структура фазы I, а справа перекрывающие друг друга зонные структуры, полученные после параллельного сдвига электронных зон, соответствующих изменению примитивной ячейки с гранецентрированной сингонии на простую сингонию.


Кубическая сингония (слева направо): простая, объемно-центрированная и гранецентрированная.

Как видно на правой части изображения 3, пересечение зон происходит вблизи всех точек, где электронные зоны касаются энергии Ферми (E_F). Следовательно, поверхности Ферми хорошо вложены за счет параллельных сдвигов электронных зон, соответствующих потере операций центрирования.

Подобный сценарий развития событий ученые именуют трехмерной вложенностью. Это означает, что большая электронная энергия генерируется за счет структурных изменений, связанных с вышеупомянутым изменением симметрии. Следовательно, эта трехмерная вложенность может быть важным компонентом возникновения перехода при 215 К.

Если рассматривать данный эффект как единственную движущую силу в возникновении перехода, то должно произойти структурное изменение с Fd3m на P4₁32 или P4₃32, что уже высказывалось в ранее проведенном теоретическом исследовании. В таком случае атомы W(2) должны образовывать однородную гиперкагомную структуру. Также предполагается, что запрещенная зона не открывается при энергии Ферми в случаях P4₁32 и P4₃32, что не согласуется с наблюдаемой в данном исследовании диэлектрической природой фазы II.

В действительности же пространственной группой фазы II является P2₁3, которая является подгруппой P4₁32 и P4₃32, а атомы W(2) образуют дышащую гиперкагомную структуру, где размер маленького треугольника на 2% меньше, чем у большого.

Кроме того, ориентация занятых 5d орбиталей важна для понижения симметрии с P4₁32 / P4₃32 (равномерный гиперкагом) до P213 (дышащий гиперкагом). Для октаэдра W(2)O6 фазы II (2е) две апикальные связи W(2)-O (отмечены серым) на 38% короче, чем остальные четыре экваториальные связи (отмечены синим). Это говорит о том, что октаэдр одноосно сжат.

Подобное искажение, по словам ученых, сильно напоминает классический пример эффекта Яна Теллера* в электронных системах t_2g. В таком случае 5d-орбитали, лежащие в экваториальной плоскости, должны быть заняты электронами (2f).

Эффект Яна Теллера* возникает, когда взаимодействие между электронами и колебаниями ядер приводит к образованию локальных деформаций и изменению симметрии кристалла (статический эффект), или когда образуются вибронные состояния (динамический эффект).

Между занятыми 5d-орбиталями в малом треугольнике происходит значительное перекрытие через 2p-орбиталь O. А вот в большом треугольнике наблюдается небольшое перекрытие. Это указывает на то, что два электрона в трех атомах W(2) заключены в тримере W₃ в маленьком треугольнике.

Для образования этого тримера электронная корреляция 5d электронов в CsW₂O₆ может быть еще одним существенным фактором. В тримере CsW₂O₆ два 5d электрона образуют спин-синглетную пару, что приводит к немагнитному и диэлектрическому основному состоянию. Таким образом мы наблюдаем альтернативный тип самоорганизации d-электронов, реализованный в сильно коррелированном 5d-оксиде.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Результатом сего исследования стало обнаружение того, что тримеры правильного треугольника W₃ образуются при переходе 215 K в -пирохлоре оксида CsW₂O₆. Определить это удалось с помощью измерений структурных и электронных свойств монокристаллических образцов.

По сути, ученые обнаружили молекулы тривольфрама в монокристаллах CsW₂O₆, охлажденных до -58 C. При комнатной температуре CsW₂O₆ является хорошим проводником, но при охлаждении становится диэлектриком.

Когда кристалл находится в состоянии проводника, молекулы вольфрама образуют трехмерные сети тетраэдрических пирамид, связанных по их углам, известных как структура пирохлора. А симметрически распределенные между молекулами электроны образуют их связь. Если же образец охладить, то электроны меняют свое положение, от чего появляется два типа атомов вольфрама, которые отличаются своей валентностью. Такие изменения приводят к искажению связи вольфрама с атомами кислорода, что приводит к более сжатой форме соединения.

В процессе всех этих пертурбаций атомы вольфрама с более низкой валентностью образуют маленькие и большие треугольники по бокам тетраэдров вольфрама, причем очень маленькие молекулы тривольфрама образуют маленькие треугольники. Три атома вольфрама, являющиеся вершинами этих треугольников, держатся друг друга за счет всего лишь двух электронов.

Ученые заявляют, что на данный момент CsW₂O₆ является единственным известным примером, где подобный формат связи (два электрона на три атома) проявляется как фазовый переход. В последующих работах авторы сего исследования намерены глубже изучить соединения с пирохлорными структурами, что позволит открыть новые материалы с крайне необычными свойствами.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Вы когда-нибудь задавались вопросом, как работают те или иные предметы, окружающие нас каждый день. Как холодильник охлаждает продукты, как микроволновка возвращает им былое тепло, как работает Wi-Fi, почему окна не пропускают капли дождя и т.д. Кому-то подобные вопросы могут показаться немного детскими, наивными и даже слегка бесполезными. Оно работает и все тут, а как уже не имеет значения. Тем не менее, ученые из МТИ (Массачусетский технологический институт, США) решили ответить на один из таких вопросов, а именно почему стальные бритвы затупляются после бритья? Какие механические процессы протекают в процессе бритья, как волос человека, будучи в 50 раз мягче стали, повреждает ее, и какое практическое применение данного исследования? Ответы на эти необычные вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

За долгие годы эволюции и развития социальной составляющей нашего вида мы умудрились создать великое множество острых предметов из самых разных материалов. К сожалению, назначение большинства из них заключается в нанесении урона противнику: мечи, кинжалы, наконечники стрел и т.д. Но есть и немало пацифистских остряков: бритвы, ножницы, ножи, серпы, косы и т.д.

На протяжении веков люди создавали новые сплавы и техники, нацеленные на повышение степени и продлении долговечности остроты вышеописанных предметов. Сам же процесс разрезания чего-либо присутствует во множестве отраслей: медицина, бытовая техника, пищевая промышленность и т.д. В каждом из случаев имеются свои особенности, но принцип, следовательно, и требования к лезвиям остаются прежними острота и твердость (долговечность).

Например, типичным металлическим материалом, используемым для лезвий бритвенных станков, является пластинчатая мартенситная* нержавеющая сталь с высоким содержанием карбидов, отточенная до геометрии клина с углом 17 и радиусом острия 40 нм для получения желаемой остроты (1А).

Мартенсит* основная структурная составляющая закаленной стали, представляющая собой упорядоченный пересыщенный твердый раствор углерода в -железе такой же концентрации, как у исходного аустенита (высокотемпературная гранецентрированная модификация железа и его сплавов). Мартенсит это микроструктура игольчатого (пластинчатого) и реечного (пакетного) вида.

Изображение 1

Поверх данного материала часто используется еще более твердый алмазоподобный углерод, а поверх последнего наносится слой политетрафторэтилена для уменьшения трения.

Несмотря на столь сложную структуру, бритвы все же затупляются со временем, контактируя с материалом в 50 раз мягче волосами (шкала твердости на 1А). Бритвы не уникальны в данной проблеме, ибо в других областях применения лезвий той или иной природы также наблюдается снижение их остроты с течением времени. Например, кухонный нож затупляет, даже если его использовать исключительно для нарезки сыра или картофеля.

Однако существует большая разница между ножами кухонными и бритвенными станками. Да, затупление происходит и там, и там, но в бритвах сам механизм затупления гораздо сложнее.

Во-первых, два взаимодействующих материала имеют иерархические микроструктуры с анизотропными и зависящими от размера механическими характеристиками. У реечных мартенситных сталей есть иерархия первичного аустенита, пакетов, блоков, субблоков и реечных границ, а также высокая плотность неоднородно распределенных дислокаций. Промежуточный углерод улавливается твердым раствором во время закалки, но отпуск или автоматический отпуск* могут привести к тому, что углерод покрывает дислокации или выпадает в осадок в виде карбидов

Отпуск* процесс термической обработки закаленного на мартенсит сплава или металла, основными элементами которого являются распад мартенсита, полигонизация и рекристаллизация.

Все эти структурные особенности обеспечивают мартенситу высокую твердость, но неоднородный микромеханический отклик.


Волос в разрезе.

Точно так же человеческий волос представляет собой сильно анизотропный композит с некруглым поперечным сечением и средним диаметром от 80 до 200 мкм. Внешний слой волоса это твердая кутикула (~170 МПа), которая образует оболочку из ячеек, расположенных как черепица на крыше. Срединный слой (кортекс) в три раза мягче и состоит из иерархии фибрилл, вытянутых вдоль направления волоса. В самом центре волоса расположена медула полый внутренний слой, имеющий достаточно малый механический вклад в режущую способность бритвы. Поскольку волосы гигроскопичны, в присутствии влаги их клеточная структура изменяется для размещения молекул воды, снижая как модуль упругости, так и предел текучести.

И лезвие, и волосы анизотропны и демонстрируют разные механические свойства в зависимости от размера. Это вызывает механический отклик, который зависит от напряженного состояния и от объема, который способствует деформации.

Еще одним важным фактором является факт того, что граничные условия совместной деформации волоса и лезвия бритвы могут меняться буквально в процессе одной операции бритья (1В).

Как поясняют ученые, во время бритья каждый отдельный волос может быть представлен в виде гибкого кантилевера, квази-закрепленного на одном конце по направлению к коже и полностью свободном на другом. В этой конфигурации волосы могут свободно изгибаться, когда лезвие приближается к ним и проникает в них во время резки, влияя на режим деформации.

Волосы преимущественно испытывают механику разрушения твердого тела I типа (раскрытие растягивающее напряжение по отношению к плоскости трещины). В зависимости от того, изгибаются волосы или нет, напряжение прикладывается либо к обеим поверхностям трещины (прямое углубление, g = 0), либо только к одной из двух поверхностей. Это приводит к возникновению чистого разрушения II типа в первом случае или к смешанному разрушению II и III типа во втором случае.

Механика разрушения твердого тела разделяется на три основных типа по способу применения силы, способствующей распространению трещины:

• I тип (раскрытие) растягивающее напряжение по отношению к плоскости трещины;
• II тип (скольжение) напряжение сдвига, действующее параллельно плоскости трещины и перпендикулярно фронту трещины;
• III тип (разрыв) напряжение сдвига, действующее параллельно плоскости трещины и параллельно ее фронту.

Результаты исследования

Как мы можем видеть, за обычным бритьем кроется множество сложных аспектов, которые для лучшего понимания требуют детального рассмотрения, как о том заявляют сами ученые.

Для этого они и провели данное исследование, в котором объектом изучения стали лезвия из мартенситной нержавеющей стали. Анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ / SEM) и дифракции обратного рассеяния электронов (ДОРЭ / EBSD) выявил их реечную мартенситную матрицу (1A) с неоднородно распределенными карбидами (вставка на 1A). Также были измерены показатели твердости в пределах 70 мкм от наконечника (среднее значение составило 8.7 0.7 ГПа). Вариативность данного показателя вызвана наличием карбидов, остаточного аустенита и неоднородностью субструктуры мартенсита.

Чтобы измерить эволюцию износа лезвия в реальных условиях бритья, были проведены поэтапные испытания одноразовых картриджей для бритв (образец 1 на изображении ниже), отслеживая различные области с помощью СЭМ после различных этапов использования (видео 1).




Поэтапные тесты на износостойкость (после 1, 5 и 10 сеансов бритья).

Далее было проведено количественное определение средней скорости износа лезвия по острой кромке с помощью анализа изображений. Уровень износа был низким: 12 нм³/нм после 5 сеансов бритья и 13 нм³/нм после 10 сеансов бритья. Однако эти испытания выявили появление сколов вдоль острого края (1C). Хотя лезвия бритвы острые и плоские на макроуровне, на микромасштабе они более шершавые, даже в неиспользованном состоянии (1С-1). Зарождение микротрещин происходит именно из этих неровностей во время бритья (1C-2). Из всех выступов, при этом это могут быть даже не самые большие из них, лишь небольшая их часть формирует трещины.

Эти микротрещины первоначально распространяются перпендикулярно краю (1C-2), а затем отклоняются в своем направлении, формируя окончательную геометрию скола (1C-3).

Следы деформации (1C-2) показывают, что часть острой кромки, принадлежащая создаваемому сколу, изгибается из плоскости при изменении направления микротрещины. Присутствие ямок на полученной поверхности разрушения показывает, что мартенситная структура демонстрирует пластическую деформацию перед разрушением. Твердые покрытия, напротив, демонстрировали особенности хрупкого разрушения в результате изгиба подложки.

Чтобы лучше понять развитие этого процесса до активации других видов разрушения (усталости, коррозии и износа), было проведено 25 СЭМ тестов в стадии микродеформации с использованием зажимов, которые могут удерживать лезвие с одной стороны и одиночные или несколько волос на другой (изображение 2 и видео 2).


Изображение 2


Эксперимент по бритью отдельных волосков с применением СЭМ.

Создание более реалистичных условий за счет наклона лезвия на 21 к направлению бритья (2B) приводило к неэквивалентной составляющей силы и, в свою очередь, к пластической деформации и скалыванию в нескольких случаях (2C).

Испытания с использованием волосков разного диаметра позволили нам сделать вывод, что размер скола не зависит ни от диаметра волос, ни от количества последовательно срезанных волосков, ни от угла среза.

Одна и та же часть острого края может срезать несколько волосков под разными углами g (1B), что не приводит к видимой деформации, пока лезвие неожиданно не начинает разрушаться (видео ниже).


Эксперимент по бритью нескольких волосков с применением СЭМ.

Также было обнаружено, что сколы чаще всего появляются по краям волос. Например, один единственный волос может образовывать два скола на лезвии, каждый из которых начинается с одного края волоса (2C).

Кроме того, сколы обычно выходят за пределы сильно деформированной области размером ~5 мкм около вершины лезвия (1C). Следовательно, наблюдаемое явление не связано с эффектами, вызванными хонингованием.

Сравнение СЭМ снимков из двух вариантов опытов (поэтапные с увлажнением волос и постоянные с сухими волосками) показывает идентичный механизм разрушения в обоих случаях (за исключением увеличения интенсивности разрушений в первом случае).

Далее было использовано трехмерное моделирование методом конечных элементов для определения роли неровностей и направления приложенной нагрузки на деформацию и образование сколов (3А-3С).


Изображение 3

Была смоделирована мартенситная сталь как однородный изотропный эластопластический материал с пределом текучести ~ 1690 МПа. В нее были добавлены углубления (щели / выемки / засечки) с размером, определенным СЭМ анализом (например, 1C-1). Это позволило воспроизвести экстремальное состояние неровностей вдоль острой кромки, и смоделировать режущее напряжение на лезвии как равномерно распределенное поверхностное сцепление (50 МПа), действующее только на одну сторону (3А).

Первое моделирование было направлено на определение местоположения углубления с наивысшей интенсивностью напряжения в зависимости от направления приложенного напряжения.

Как видно на 3B, прямое вдавливание волос (поверхностное натяжение 0) вызывает усиление напряжений на углублениях, контактирующих с волосами, но эти значения недостаточно высоки, чтобы способствовать пластической деформации. Напротив, бритье волос под углом создает более высокие значения напряжения в области лезвия, контактирующей с волосами, с максимальным напряжением в углублении, контактирующей с краем волос.

Анализ напряжений как функции угла сцепления с поверхностью (3C) показал:

• напряжение на концах углублений существенно не меняется, если направление сцепления с поверхностью находится в поперечном сечении лезвия (для углов бритья менее 8.5);
• напряжение на конце углублений, контактирующих с волосами, увеличивается с углом бритья;
• напряжение на конце углублений, не контактирующих с волосами, уменьшается с углом бритья;
• самое ощутимое увеличение напряжения происходит на углублении, контактирующем с краем волос.

Данные результаты моделирования полностью согласуются с экспериментами, подтверждая их точность. Однако расхождения все же были: микротрещины и сколы в опытах наблюдались под меньшим углом, чем в моделировании.

Чтобы пояснить это отличие, ученые выдвинули гипотезу о процессе, который связывает неоднородность реечной мартенситной структуры лезвия с увеличением чувствительности к микротрещинам (3D-3H). Модель была адаптирована для расчета скорости высвобождения энергии межслойной латеральной трещины в тонкой биматериальной полубесконечной пластине постоянной толщины для разрушения смешанного типа (тип II + тип III), при этом трещина потенциально распространяется вдоль интерфейса между двумя материалами (3D). Далее было приложено напряжение в 50 МПа, параллельно изменяя направление нагрузки между чистым режимом II и чистым режимом III. При этом рассматривались материалы с одинаковым коэффициентом Пуассона (0.3), но разными модулями Юнга.

В результате было установлено, что выделение энергии увеличивается при переходе от режима II к режиму III. Изменение модулей Юнга двух материалов при сохранении их среднего значения констант вызывает вертикальный сдвиг кривой скорости высвобождения энергии. Это говорит о том, что для двух разнородных материалов вероятность распространения трещины будет гораздо выше, чем для однородного материала с аналогичными свойствами.

Следом ученые провели еще одну серию трехмерного параметрического моделирования для анализа скорости выделения энергии на вершине одиночного углубления в лезвии при учете геометрии лезвия (увеличение толщины перед самим углублением) и с различными направлениями распространения трещины (3E-3H). На противоположных сторонах углубления были использованы один или два разных материала.


Измерение силы, необходимой для среза одиночного волоска.

Скорость высвобождения энергии для трещины, распространяющейся вдоль своего первоначального направления (q = 0), увеличивается по мере увеличения компонента напряжения режима III (3F). Скорость высвобождения энергии также зависит от направления распространения трещины (3G). Критическое направление, соответствующее максимальной скорости высвобождения энергии, зависит как от направления нагрузки, так и от комбинации материалов (3H).

Когда нагрузка прилагается к мягкому материалу рядом с жестким (C и S на схеме соответственно) с межслойным углублением, трещина будет распространяться с большей вероятностью, чем в противоположной конфигурации. Критический угол распространения трещины в этой ситуации также будет меньше (3G).

Кроме того, микротрещины, зародившиеся на острой кромке, распространяются под углом по отношению к оси лезвия (ось z на 3E), отклоняясь в сторону области приложения нагрузки.

Этот путь распространения определяется асимметричной составляющей силы, которая способствует изгибу трещины из ее исходной плоскости, и геометрией лезвия, толщина которого увеличивается вдоль оси лезвия.


Распределение напряжений в лезвии при разных углах бритья.

Если предположить, что поверхностная энергия материала постоянна, то потери энергии ввиду распространения трещины вдоль этой оси будут больше, чем при распространении трещины в направлении постоянной (или менее увеличивающейся) толщины. Если же распространение будет происходить вдоль этой оси постоянно, то это приведет к большой площади распространения на единицу длины. По той же причине трещина в конечном итоге поворачивается обратно к острой кромке лезвия, образуя скол.

Чтобы подтвердить механистические эффекты микроструктурной неоднородности, предсказанные аналитическими и численными результатами, были проведены эксперименты по бритью волосков. В ходе этих опытов сканирующий микроскоп и сфокусированный ионный луч позволили детально рассмотреть микроструктуру во время деформации. Лезвия, использованные в опыте, были частично фрезерованные, за счет чего был создан контраст между мартенситной матрицей и карбидами, позволяя раскрыть механизмы повреждения (снимки ниже).


Микроскопия полу-фрезерованного лезвия.

Опыты показали, что микротрещины обычно зарождались на интерфейсах между мартенситом и карбидом, которые граничат с неровностями (слева на В) и когда волосы контактировали с более податливым компонентом лезвия. Затем микротрещины распространяются под углом, вызывая декогезию на нескольких интерфейсах карбид-матрица или растрескивание карбида (справа на В), а также микропластичность в мартенситных областях между ними.

Совокупность результатов моделирования, расчетов и опытов говорит о том, что бритье может вызывать зарождение повреждений, их рост и коалесценцию* (в виде сколов) в реечной мартенситной стали. Также стало понятно, что сколы появляются раньше других видов повреждений.

Коалесценция* слияние частиц на поверхности тела (в данном случае) или внутри подвижной среды (газ, жидкость).

Изображение 4

Этот процесс для своей реализации требует сочетания нескольких факторов (изображение выше):

• достаточный уровень изгиба волос для создания напряжений со значительной составляющей от III-его типа;
• вызванные обработкой неровности на кромке лезвия с микроструктурными составляющими с достаточно разными свойствами с каждой стороны;
• волосы расположены таким образом, чтобы крайняя точка была выровнена с вышеуказанной неровностью (чтобы обеспечить максимальное усиление напряжения) и находилась в контакте со стороной, содержащей более податливую составляющую.

Если учесть, что подобные условия одновременно появляются крайне редко, то становится понятно, почему обычные бритвенные станки становятся непригодными для бритья не сразу (после первого же использования), а спустя некоторое количество циклов бритья.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Тот факт, что бритвы тупятся после какого-то числа сеансов бритья, вполне известен и понятен. Однако в данном труде ученые решили детально рассмотреть самые малые процессы, которые происходят во время износа лезвий бритвы. Этот труд не столько о бритвах, сколько о сплавах и других материалах, используемых в разных отраслях для разрезания чего-либо. Ибо зная, от чего происходит повреждение материала, можно найти способ избежать его.

Ученые отметили, что лезвия более склонны к образованию на них сколов, если микроструктура стали неоднородна. Естественно, угол, под которым лезвия контактируют с волосками, а также дефекты в микроструктуре лезвий также играют важную роль в формировании трещин.

Любопытно, что фактический износ стальных лезвий бритвы в ходе экспериментов не сильно увеличился. Лезвия оставались острыми долгое время, но на их кромке образовывались сколы, которые и нарушают работоспособность бритвенных станков. При этом сколы образовывались лишь в определенных местах, т.е. при определенных условиях: когда лезвие контактировало с волосами под углом, когда сталь лезвия была неоднородна по составу и когда волосы контактировали с лезвием в месте, где его неоднородность была выше.

Основной вывод весьма прост бритвы затупляются ввиду неоднородности своего состава. Волос намного мягче стали, однако используемая в лезвиях сталь является своего рода композитным материалом, что сильно снижает его прочность и устойчивость к повреждениям. Если уменьшить неоднородность материала, то можно значительно улучшить его механические характеристики.

В дальнейшем ученые намерены продолжить свое исследование, а также начать новое, в котором они будут искать новые рецепты стали для лезвий, которые впоследствии будут намного долговечнее, острее и прочнее нынешних.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

В промышленности, при производстве сложного оборудования, много специфических задач. Одна из таких задач соединять ранее несоединимые материалы.

Высокотемпературная вакумная пайка относится к спец процессам. Применяться при производстве теплообменников, турбокомпрессоров, авиационных двигателей, ракетной и военной техники. Пайка деталей подобных агрегатов производится при температуре свыше 1100 С. Процесс этот непростой и состоит из ряда этапов, соблюдение жестких параметров которых критично.

Ранее для таких сложных соединений было необходимо заниматься изготовлением компонентов для пайки отдельно. Получаемые припои имели срок хранения в несколько часов и их качество не было постоянным, так как каждый раз напрямую зависело от человеческого фактора, все делалось заново и вручную. Недавно появилась новость о том, что в России разработан универсальный припой, не теряющий своих свойств более года, причем применяться он может не только в энергетическом машиностроении, но и при создании авиадвигателей,, добывающей промышленности, сельском хозяйстве и многих других сферах

Зачем вообще нужен такой припой?

У каждого материала свои свойства, которые сильно отличаются от свойств других материалов. Универсальный же припой открывает новые возможности и удешевляет процессы. Что касается возможности, то это, например, увеличение износостойкости и прочности материалов.

Все просто, основная задача это равномерное распределение материала по поверхности детали. Если раньше использовался или порошковый материал, или паяльные пасты, которые дозировались преимущественно вручную, и с равномерностью нанесения были проблемы, то с нашей разработкой таких проблем не возникает.

Дорогостоящий компонент можно наносить на рабочую поверхность детали, выполненной из относительно недорогого материала. Без высокотемпературной вакуумной сварки эту деталь пришлось бы целиком выполнять из дорогостоящих материалов.

Пример нанесение на PDC-долото износостойкой наплавки с высоким содержанием карбидов вольфрама. Такие долота используются, в частности, в нефтегазовой отрасли.

Еще один пример изготовление защитных втулок центробежных насосов, которые используются, в том числе, на АЭС, в нефтегазовой промышленности и т.п. Припой дает возможность нанести покрытие небольшой толщины (доли миллиметра) с хорошими антифрикционными свойствами и адгезией около 200 МПа.

В авиастроении практически все операции по сварке, выполняемые по традиционной технологии, очень трудоемки. Проблема в том, что используемые припои поставляются в виде полуфабрикатов, и их уже смешивают перед выполнением операции по сварке. Во многих случаях счет идет на часы. При этом обычные припои во многих случаях нестабильны, плюс отдельные компоненты приходится тщательно дозировать.



Тут можно вспомнить один из выпусков советского киножурнала Фитиль про Золотую гайку, вытачиваемую под нужны производства каждый раз на станке отдельно. Подсчитав стоимость таких кастомных гаек, пришли к выводу, что они натурально выходят по цене золота. До недавнего времени так было и с припоем для пайки компонентов сложного промышленного оборудования.

Это только концепт или уже готовый продукт?

Данный материал с 2020 года не только производится, но и массово используется при производстве уплотнений паровых и газовых турбин. В России высокотемпературный ленточный припой на органических связующих с рабочими температурами от 800 С до 1350 С производит РОТЕК. Компания изначально создавала этот припой для себя как раз для сборки турбин, о чем говорилось в самом начале.

Пайка с использованием этого нового припоя доказала свою эффективность в турбинах Rolls-Royce и General Electric. Кроме этого, компания поставляет компоненты, спаиваемые универсальным припоем, практически для всех видов российских авиадвигателей.

В силовой полупроводниковой электронике, как и во многих других областях полупроводниковой электроники, возможности кремния, основного полупроводникового материала, оказались практически исчерпанными. Поэтому ученые ведут интенсивный поиск материалов с новыми свойствами, которые позволили бы обеспечить качественный рывок в достижимых величинах напряжений и токов и рабочих температурах при сохранении высокой эффективности работы.

Ключом здесь является переход к так называемым широкозонным материалам, в которых требуется сообщить электронам атомов очень большую энергию, чтобы они начали участвовать в переносе электрического тока. Чем больше ширина запрещённой зоны, тем более высокое напряжение можно приложить к контактам прибора, не вызывая электрического пробоя, и тем ближе можно расположить контакты, уменьшая сопротивление, а значит, электрические потери мощности, и тем при более высокой температуре устройство будет сохранять свою работоспособность.

Ученые НИТУ МИСиС, ФТИ им. А.Ф. Иоффе и компании Совершенные кристаллы продемонстрировали возможность изготовления нового материала и эффективного управления его свойствами с помощью дешёвой и экономичной технологии его выращивания. Материал является перспективной альтернативой кремнию в приборах силовой полупроводниковой электроники, области, имеющей дело с разработкой приборов и устройств, осуществляющих коммутацию, преобразование, усиление электрических сигналов с большими токами и напряжениями, т.е. с большой мощностью. Материал позволяет работать с более высокими напряжениями, при более высоких температурах, с меньшими потерями мощности.



Последние примерно двадцать лет прошли под знаком перехода в силовой электронике от кремния с шириной запрещённой зоны 1,2 эВ и электрическим полем пробоя 0.3 МВ/см к карбиду кремния SiC и нитриду галлия GaN c запрещённой зоной 3,3-3, 4 эВ и электрическим полем пробоя большим в десять раз, около 3 МВ/см. Но даже такое увеличение критического поля, вызывающего пробой, оказывается недостаточным для всё возрастающих требований к силовым приборам в современном мире.

В настоящее время наибольшее внимание ученых привлекает оксид галлия, Ga2O3, существующий в нескольких кристаллических модификациях- политипах, среди которых важнейшим является стабильный политип -Ga2O3 с шириной запрещённой зоны 4,8 эВ и полем пробоя 8 МВ/см. Однако и другие, менее стабильные политипы, в частности, -Ga2O3, также заслуживают внимания и изучения, потому что их запрещённая зона ещё больше (5,2 эВ для -Ga2O3), кристаллическая структура более симметрична, такие плёнки можно растить на очень дешёвых и высокосовершенных подложках сапфира с той же кристаллической структурой, что и -Ga2O3, а наличие большого количества родственных окислов металлов с той же структурой и интересными свойствами позволяет создавать разнообразные полезные комбинации.

К сожалению, выращивание совершенных плёнок -Ga2O3и нахождение подходящих легирующих примесей, которые позволили бы управлять проводимостью плёнок в широком диапазоне, представляет трудную задачу. Её решению посвящено совместное исследование группы учёных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе и компании Совершенные кристаллы в Санкт-Петербурге и группы в НИТУ МИСиС в Москве.

Петербургская часть коллектива, руководимая профессором Владимиром Николаевым, руководителем лаборатории физики профилированных кристаллов, сумела вырастить толстые плёнки -Ga2O3с достаточно высоким структурным совершенством и ввести в плёнки примесные атомы олова, поставляющие электроны и изменяющие проводимость плёнок в очень широких пределах. Рост проводился с помощью метода галоидной эпитаксии, ранее широко использовавшегося в данной лаборатории для получения и легирования совершенных кристаллов и плёнок нитрида галлия и твёрдых растворов на его основе. Такие структуры широко используются для создания мощных светодиодов и лазеров, полупроводниковых выпрямителей, мощных транзисторов на основе InGaAlN. Легирование плёнок -Ga2O3 оловом в процессе выращивания осуществлялось с использованием паров летучих солей олова.

В московской группе исследователей под руководством заведующего лабораторией широкозонных материалов и приборов, профессора Александра Полякова из приготовленных плёнок были сделаны тестовые диодные структуры и подробно изучены электронные свойства материала, а также электронная структура имеющихся в нём примесей и дефектов. Свойства оказались похожими на свойства, изученные ранее для стабильного политипа -Ga2O3. Полученные результаты вселяют оптимизм касательно перспектив использования -Ga2O3в силовых приборах, хотя ещё потребуется провести очень серьёзные дополнительные исследования, чтобы повысить стабильность материала и улучшить его характеристики и их воспроизводимость.

Статья о разработке опубликована в журнале APL Materials.

Роль лития, а точнее, литий-ионных аккумуляторов в нашей жизни трудно переоценить. Они используются повсюду: в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, а также в наземном, водном и железнодорожном транспорте и космической технике. Литий-ионные батареи вышли на рынок в 1991 году, а уже в 2019 их изобретателям присудили Нобелевскую премию по химии за революционный вклад в развитие технологий. При этом литий дорогостоящий щелочной металл, а его запасы весьма ограничены. В настоящее время не существует близкой по эффективности альтернативы литий-ионным батареям. Из-за того, что литий один из самых легких элементов в периодической таблице Менделеева очень непросто найти ему замену для создания емких аккумуляторов.

Международный коллектив ученых НИТУ МИСиС, ИБХФ РАН и Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф установил, что вместо лития в аккумуляторах можно использовать натрий, уложенный особым способом. Натриевые батареи будут существенно дешевле, при этом не уступая по емкости литий-ионным, а в перспективе и превосходя их.



В ходе исследований было установлено, что если атомы внутри образца уложить определенным способом, то другие щелочные металлы также будут демонстрировать высокую энергоемкость. Наиболее перспективная замена литию натрий, так как даже при двуслойной компоновке атомов натрия в структуре биграфена (два слоя графена сверху и снизу) емкость такого анода становится сопоставимой с ёмкостью обычного графитового анода в литий-ионных аккумуляторах: около 335 мА*ч/гр (миллиампер-час на грамм материала) против 372 мА*ч/гр у лития. При этом натрий гораздо более распространен в природе, чем литий. Например, обычная поваренная соль на половину состоит из этого элемента.

Особенный способ укладки атомов не что иное, как расположение их в несколько слоев, один над другим. Такая структура создается путем перехода атомов из куска металла в пространство между двумя листами графена под высоким напряжением, что имитирует процесс заряда аккумулятора. Получается сэндвич слой углерода, два слоя щелочного металла, и снова слой углерода.

Долгое время считалось, что атомы лития в аккумуляторах могут располагаться только в один слой, в противном случае система будет нестабильна. Несмотря на это недавние эксперименты наших коллег из Германии показали, что при тщательном подборе методов можно создавать многослойные стабильные структуры лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы к увеличению емкости таких структур. Поэтому нам было интересно изучить возможность формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе и с натрием, при помощи численного моделирования, рассказывает один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории Неорганические наноматериалы НИТУ МИСиС Илья Чепкасов.

Из нашего моделирования следует, что атомы лития гораздо сильнее связываются с графеном, однако увеличение числа слоев лития приводит к меньшей стабильности. Обратная тенденция наблюдается в случае натрия при увеличении числа слоев натрия возрастает стабильность таких структур, это дает надежду на то, что такие материалы будут получены в эксперименте, заключил старший научный сотрудник лаборатории Неорганические наноматериалы НИТУ МИСиС и ИБХФ РАН Захар Попов.

Следующий шаг научной группы создание экспериментального образца и изучение его в лабораторных условиях. Этим займется зарубежная часть команды из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф. В случае успеха можно будет говорить о создании нового поколения натриевых аккумуляторов, которые будут сопоставимы по емкости с литий-ионными, или даже будут превосходить их, стоя при этом в разы дешевле.

Статья об исследовании опубликована в журнале Nano Energy.

Магнитно-резонансная томография один из самых эффективных способов выявления онкозаболеваний на ранних стадиях. Для повышения ее точности в организм пациента может вводиться специальный контрастный агент с магнитными свойствами при особом подборе параметров агент будет подсвечивать злокачественные клетки. Однако, кроме диагностики, магнитные материалы перспективны для использования при терапии онкозаболеваний. Под точечным воздействием высоких температур магнитные наночастицы могут нагреваться и разрушать оболочку раковых клеток.

Коллектив ученых НИТУ МИСиС совместно с коллегами из России и Германии представил подробное исследование наночастиц-гибридов из магнетита и золота. В перспективе такие наночастицы могут помочь в тераностике диагностике и последующей терапии онкозаболеваний.



Ученые уже несколько лет занимаются разработкой магнитных наночастиц для тераностики (комбинации диагностики и терапии) на основе магнетита (Fe3O4). Недавно завершился очередной этап фундаментальных исследований совместно с коллегами из МГУ им. Ломоносова, РХТУ им. Менделеева, Российского национального исследовательского медицинского университета и Университета Дуйсбург-Эссен (Германия) ученые изучили процесс формирования гибридных наночастиц магнетит-золото. Широко известно, что этот драгоценный металл хорошо воспринимается организмом; его роль обеспечить биосовместимость димера (сложной структуры).

Ученые рассмотрели зарождение, рост и огранку магнетит-золотых наногибридов, взяв жидкие пробы из реакционной смеси в процессе синтеза. Для этого использовался рентгенофазовый анализ, просвечивающая электронная микроскопия, вибромагнетометрия.

Мы наблюдали два последовательных процесса во время образования магнетита. Во-первых, рост сферических наночастиц магнетита на первичных зародышах золота при температуре до 220 С. Во-вторых, происходит постепенная огранка наночастиц оксида железа до восьмигранников на стадии кипения от 240 до 280 С при постоянном объеме наночастиц, комментирует участник исследования, доцент Университета Дуйсбург Эссен, Ульф Видвальд.

Это наиболее подробный анализ свойств получения димерных наночастиц с магнетитом из всех, когда-либо проводимых. Ученые отмечают, что полученные ими данные позволяют контролировать размер и форму наночастиц благодаря возможности управлять параметрами химической реакции. В перспективе это поможет масштабировать процесс производства тераностических наночастиц до серийного.