Сравнение размеров и магнитных моментов наночастиц магнетита в порошке и в коллоидном растворе, изготовленных методом химической конденсации (краткое сообщение)

Для приготовления порошка и коллоидного раствора наночастиц магнетита чаще всего используется технология химического осаждения щелочью наночастиц магнетита, образующихся из смеси компонент FeO и Fe 2 O 3 , имеющих одинаковую молярную концентрацию. Для приготовления порошка в смесь компонент добавляют щелочь, образующиеся наночастицы магнетита осаждают, промывают водой и высушивают. Для получения коллоидного раствора после добавления в смесь компонент щелочи, промывания водой и осаждения образовавшихся однодоменных на

М , А/м

3000                                  ♦

ночастиц в осадок наночастиц добавляют растворитель (воду) и стабилизатор (соль олеиновой кислоты) в нужном количестве. Если же растворитель и стабилизатор добавить в высушенный порошок частиц магнетита, то коллоидный раствор наночастиц магнетита (магнитная жидкость) не образуется. Это можно объяснить тем, что частица порошка является конгломератом нескольких наночастиц коллоидного раствора. Это можно проверить, сравнив размеры и магнитные моменты наночастиц порошка и магнитной жидкости, которые можно определить по их кривым намагничивания и другим характеристикам.

Рис. 1. Кривая намагничивания коллоидного раствора однодоменных наночастиц магнетита.

М — намагниченность раствора, В — индукция магнитного поля внутри раствора

В/µ 0 , А/м

В/µ ₀, А/м

Рис. 2. Кривая намагничивания порошка магнетита.

М — намагниченность порошка, В — индукция магнитного поля внутри образца

Рис. 3. Полученная из данных рис. 1 зависимость намагниченности М коллоидного раствора магнетита от (1/ В ).

ЭКСПЕРИМЕНТ

Для получения кривых намагничивания порошка (п) и коллоидного раствора (р) были применены описанные в работе [1] экспериментальная установка и методика, основанные на измерении индукции В и напряженности Н магнитного поля внутри образца методом ЯМР. Полученные кривые намагничивания (зависимости намагниченности М от индукции В ) представлены на рис. 1, 2. Намагниченность определялась по формуле М = ( В / µ 0 ) – Н . Был измерен также удельный вес порошка магнетита w п = ( m / V ), где m — вес, V — объем навески порошка, и проведен его рентгенофазовый анализ, в результате которого по ди-фрактограмме определен размер кристаллической части частицы порошка d п .

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Определение параметров наночастицы в коллоидном растворе

Определим магнитный момент Рр, объем Vр и размер dр наночастицы в коллоидном растворе. Для этого по графику рис. 1 строим зависимость намагниченности магнитной жидкости Мр от µ0/В, представленную на рис. 3. Точка пересечения экспериментальной прямой с осью ординат дает значение намагниченности насыщения жидкости Мнр = = 3670 А/м, а тангенс угла наклона полученной прямой к оси абсцисс связан с концентрацией наночастиц nр: tga = nрkT/µ0 = 2.8·107. Отсюда получаем концентрацию nр = tga(µ0/kT) = (2.8·107·4π·107/1.38·1023·300) =

= (2.8·4 π /1.38·3)·1021 = 8.5·1021м–3.

Разделив намагниченность насыщения на концентрацию, находим магнитный момент наночастицы Р р = (3670/8.5)10^–21 = 4.3·10^–19Ам².

Разделив магнитный момент наночастицы на намагниченность чистого магнетита δ м = 480 кА/м [2], находим объем наночастицы жидкости V р = ( Р р / δ м ) = (4.3/4.8)·10^–24= 0.896·10^–24 м³.

Определение объема V п наночастицы порошка

Определенный из рентгеновской дифрактограм-мы размер частицы порошка составляет 17 нм, откуда объем сферической частицы V п = 2.57·10 ^–24 м³.

Определение магнитного момента Р п наночастицы порошка

Способ 1 , учитывающий реальную взаимную ориентацию магнитных моментов молекул магнетита.

Измеренный удельный вес порошка w п = = 1217 кг·м^–3, удельный вес цельного магнетита w м = 5280 кг·м^–3 [2], следовательно, в одном кубическом метре порошка магнетит занимает объем V = ( w п / w м ) = (1217/5280) = 0.234 м³. Разделив объем магнетита в 1 м³ порошка на объем одной частицы, находим число частиц порошка в единице объема n n = 0.23 м³/(2.57·10^–24 м³) = 8.9·10²³. Разделив намагниченность насыщения порошка М нп = 55 000 А/м на концентрацию его частиц n п , получаем магнитный момент частицы порошка, определенный способом 1:

Р п1 = (5.5/8.9)·10^(4–22) = 6.2·10^–19Ам².

Способ 2 , предполагающий, что магнитные моменты всех молекул магнетита направлены параллельно индукции внешнего магнитного поля.

Умножив магнитный момент единицы объема магнетита, равный 480 кА/м³, на объем частицы порошка V _п, находим магнитный момент частицы порошка, определенный способом 2:

Р п2 = 4.8·10⁵·2.57·10^–24= 12.3·10^–19Ам².

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученное отношение объемов частицы порошка и частицы коллоидного раствора ( V п / V р ) = = (2.57/0.896) = 2.87 показывает, что частица порошка состоит из нескольких (двух–трех) наночастиц коллоидного раствора. Сравнение магнитных моментов частицы порошка Р п1 и Р п2 , определенных способами 1 и 2, показывает, что реальный магнитный момент частицы порошка Р п1 = = 6.2·10^–19 Ам² в 2 раза меньше, чем возможный максимальный магнитный момент Р п2 =

= 12.3·10–19 Ам2, равный сумме параллельных магнитных моментов содержащихся в ней молекул магнетита. Это можно объяснить двумя причинами:

• 1.    При измерении намагниченности порошка не у всех частиц порошка магнитные моменты ориентированы параллельно индукции внешнего магнитного поля В . Для исключения этого перед проведением измерений намагниченности контейнер с порошком подвергался действию сильного магнитного поля.

• 2.    Однодоменные наночастицы, из которых состоит частица порошка, имеют не взаимно параллельные магнитные моменты. Иными словами, частица порошка является двух–трех доменной системой с непараллельной ориентацией осей доменов.

Как известно, намагничивание многодоменной системы при увеличении напряженности магнитного поля Н происходит в результате трех процессов: 1) увеличения размеров одних доменов за счет других; 2) поворота осей доменов к направлению, параллельному Н ; 3) домагничивания доменов. Выполнение условия Р _п1 ˂ Р _п2 на участке насыщения кривой намагничивания рис. 2 можно объяснить тем, что при Н ˂ 70 кА/м поворот осей доменов внутри частицы порошка не происходит.

ВЫВОДЫ

Таким образом, частица порошка состоит из двух–трех однодоменных наночастиц магнетита с непараллельной ориентацией магнитных моментов. Следовательно, при намагничивании порошка магнитным полем с напряженностью Н , меньшей 70 кА/м, поворота внутри частицы осей доменов к направлению, параллельному Н , не происходит.