Железо для IT и медицины

Редкие нанопорошки оксида железа научились получать в Томском политехе

АСПИРАНТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ТОМСКОГО ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ЗАНИМАЕТСЯ ПОЛУЧЕНИЕМ НАНОДИСПЕРСНЫХ И УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА ПУТЕМ ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА. ИЗ ШЕСТИ ИЗВЕСТНЫХ НАУКЕ ФАЗОВЫХ МОДИФИКАЦИЙ ЭТОГО ВЕЩЕСТВА В ТПУ НАУЧИЛИСЬ СИНТЕЗИРОВАТЬ ЧЕТЫРЕ ВАЖНЕЙШИЕ. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛУЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ НЕВЕРОЯТНО ШИРОКА: МЕДИЦИНА, ДАКТИЛОСКОПИЯ, ЗАЩИТА ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Стереть железо в порошок

Нанодисперсные и ультрадисперсные порошки оксида железа в лаборатории ТПУ получают с помощью ускорителя плазмы: плазменный разряд, проходя через стальную трубу, собирает с ее стенок металл, который попадает в камеру-реактор, заполненную кислородом. В результате плазмохимической реакции синтезируются наночастицы оксида железа. Особенность метода, используемого политехниками, в том, что, меняя параметры реакции, ученые получают разные фазы оксида железа.

— Оксид железа имеет шесть различных фазовых модификаций. Одна из них термодинамически нестабильна при комнатных условиях, еще одна — крайне трудная для получения, ученые выделяют ее, но пока в мире не так много работ, где подтверждается возможность ее получения. Что касается остальных четырех фаз, мы уже подтвердили возможность их синтеза с помощью нашего метода, в том числе и редкой эпсилон-фазы, которой занимаются только четыре научных коллектива во всем мире, — говорит аспирант кафедры электроснабжения промышленных предприятий Иван Шаненков.

От медицины до военной техники

Каждая из четырех фаз порошка представляет собой материал с уникальными свойствами и имеет собственную область применения. Так, магнетит используется в медицине как транспортная ячейка для лекарственных препаратов.

— Полые сферы магнетита, которые мы получаем, позволяют как закладывать в них лекарственный препарат, так и наносить его сверху. А за счет уникальных магнитных свойств эти частицы при маленьких размерах (менее 50 нм) легко намагничиваются. Поэтому с помощью магнитного поля ее можно доставить в любую точку организма. Например, зная, где у пациента раковая опухоль, мы можем адресно доставить туда лекарство. Когда транспортная ячейка «приезжает» в нужное место, ее разогревают при помощи переменного магнитного поля, освобождая тем самым лекарственный препарат. Сами же частицы магнетита для организма абсолютно безвредны и легко выводятся из организма, — рассказывает аспирант.

Кроме того, частицы магнетита способны поглощать до 99,99 % электромагнитного излучения. Этот порошок можно использовать как маскирующее покрытие для военной техники, а также для защиты оптоволоконных кабелей и другого IT-оборудования от высокочастотных помех при высокоскоростной передаче данных.

— C развитием техники и технологий объем передаваемой информации постоянно возрастает. Для того, чтобы увеличить пропускную способность систем, повышают частоту передачи данных. Однако электромагнитное излучение создает большие помехи, которые необходимо отсеивать как на пути передачи, так и на пути приема. Как показали наши эксперименты, магнетит эффективно поглощает электромагнитное излучение в широком диапазоне частот: от 5 до 15 ГГц, — поясняет Иван Шаненков.

Гематит — другая фаза оксида железа, получаемая в ТПУ, — имеет очень схожие с магнетитом свойства и сферы применения. Благодаря своим магнитным свойствам, он может использоваться для диагностики скрытых дефектов металлических и неметаллических изделий. Под воздействием внешнего магнитного поля нанопорошок, подобно маркеру, отмечает трещины в материале, не заметные невооруженному глазу.

Самая термодинамически стабильная модификация оксида железа — его альфа-фаза — служит основой для универсального дактилоскопического порошка, разрабатываемого учеными Томского политеха. Его наноразмер, магнитные и красящие свойства позволяют снимать четкие отпечатки пальцев практически с любых материалов, даже с полиэтилена и фольги. Состав уже протестирован в работе УМВД России по Томской области и, по словам разработчиков, получил высокую оценку экспертов.

— Нам также удалось получить очень редкую эпсилон-фазу оксида железа, причем с высокой чистотой — до 90%. Согласно литературным данным, это под силу только двум научным группам в мире: одна из Японии, другая — из Чехии. При этом процесс получения эпсилон-фазы у зарубежных коллег занимает от суток до трех недель, что связано с особенностями химического процесса. Преимущество нашего метода в его скорости: сам синтез длится порядка одной миллисекунды, весь процесс вместе со сбором порошка — около часа, — говорит молодой ученый.

Свойства и сферы применения этого вида порошка оксида железа еще практически не изучены. Однако уже известно, что он может применяться для длительного хранения информации на записывающих магнитных устройствах благодаря своей коэрцитивной силе, одной из самых больших среди всех простых материалов, известных человечеству. Кроме того, данный материал способен успешно функционировать уже в террагерцовом диапазоне частот, к которому «подбирается» современная техника. Как отмечает Иван Шаненков, другие свойства эпсилон-фазы его научному коллективу только предстоит исследовать.

Военная установка для мирных целей

Иван Шаненков рассказывает, что все опыты по получению нанопорошков в Томском политехе стали возможны благодаря работе его научного руководителя, профессора кафедры электроснабжения промышленных предприятий Александра Анатольевича Сивкова.

— В Научно-исследовательском институте высоких напряжений при ТПУ в советское время велось активное исследование способов ускорения боевых снарядов за счет использования плазмы. Когда этот проект закрылся, Александр Анатольевич модернизировал плазменный ускоритель, сам собрал камеру-реактор и накопитель энергии с большими энергетическими параметрами. Полученная установка теперь позволяет синтезировать нанодисперсные и ультрадисперсные порошки из самых разных металлов и их соединений, — рассказывает аспирант.

В результате работа профессора Сивкова дала начало сразу нескольким научным направлениям в Томском политехе. Универсальность созданной им установки позволяет получать оксиды, карбиды, нитриды всевозможных металлов. Этими исследованиями и занимаются молодые ученые ТПУ под его научным руководством.

Елизавета Муравлева