Российские физики установили, как под действием высокой температуры и большого давления формируются покрытые углеродной оболочкой наночастицы из соединений железа с углеродом — карбидов. Эти данные помогут разработать методы синтеза нанокомпозитов с заданными свойствами для медицины, электроники и других областей. Результаты работы, выполненной при поддержке РНФ, опубликованы в Inorganic Chemistry.

Самое популярное направление исследований наночастиц из карбида железа с углеродной оболочкой — их применение в медицине. Поскольку они содержат железо, ими можно управлять с помощью магнитного поля, а нетоксичная углеродная оболочка делает их безопасными для человека. Наночастицы с карбидами железа можно будет применять в терапии рака, в адресной доставке лекарств к пораженным органам и в медицинских исследованиях, таких как магнитно-резонансная томография. Другим технологическим областям подобные композиты тоже интересны: с их помощью можно повысить емкость литий-ионных аккумуляторов (используются во всей пользовательской электронике, например, в мобильных телефонах) и очистить воду от опасных примесей.

Исходным веществом для получения наночастиц карбида железа в углеродной оболочке часто служит ферроцен. Это металлоорганическое соединение, каждая молекула которого содержит один атом железа и два углеводородных кольца. Наиболее распространенный метод получения наночастиц из этого вещества — лазерный пиролиз, когда ферроцен, помещенный в особую атмосферу с низким содержанием кислорода, нагревают лазером до 2500–3000°C. В результате в молекулах ферроцена разрываются все химические связи, и вначале образуются частицы металлического железа без примесей, а затем в них проникает углерод, в ходе реакции которого с железом и формируются карбиды. В других известных методах синтеза подобных наночастиц задействован тот же механизм.

Российские физики детально изучили новый метод разложения ферроцена под воздействием высоких температур и большого давления. Было известно, что только под высоким давлением можно получить наночастицы из карбидов особого состава: Fe3C (цементит) и Fe7C3. Чтобы выяснить, как происходит их формирование, ученые помещали образцы ферроцена под давление в 8 гигапаскалей (примерно в 80 тысяч раз выше, чем нормальное атмосферное) и нагревали их. Для каждого образца была выбрана своя максимальная температура от 600 до 1600°C. Под температурным воздействием образцы держали 20 секунд, затем давали образцу остыть до комнатной температуры и только после этого снижали давление.

Главной частью исследования стало детальное изучение образцов. Физики использовали несколько разных методов, но самые значимые результаты дала мессбауэровская спектроскопия. По тому, какова длина волны поглощаемого материалом излучения от радиоактивного источника, можно определить некоторые характеристики образца. Методика очень чувствительна к железосодержащим соединениям, а потому исследователям удалось выяснить, какие именно вещества образовались в каждом экспериментальном образце.

Рисунок: процесс формирования разных наночастиц...

Рисунок: процесс формирования разных наночастиц карбидов железа в зависимости от температуры. Источник: Арсений Баскаков

Оказалось, что под давлением процесс формирования наночастиц из ферроцена сильно отличается от механизма, известного по другим методам. Вместо образования чистого металлического железа под давлением вначале формируется масса из аморфного карбида железа с высоким содержанием углерода. В это состояние ферроцен приходит при температуре 800°C. При нагреве до 1200°C карбиды кристаллизуются и образуют наночастицы, а из «лишнего» углерода формируются оболочки. В этот момент большая часть карбида находится в форме Fe7C3. При более высокой температуре в 1600°C он преобразуется в цементит Fe3C.

«Полученные результаты открывают возможности управляемого синтеза многофункциональных нанокомпозитов, — говорит ведущий автор работы Арсений Баскаков. — Мы продолжаем работу в этом направлении и уже планируем эксперимент, в котором будет меняться не температура, а время обработки ферроцена — от 5 секунд до нескольких часов. Такой подход может дать новые результаты, например, состав наночастиц может измениться».

В исследовании участвовали сотрудники Института кристаллографии имени А.В. Шубникова ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Института физики высоких давлений имени Л.Ф. Верещагина РАН, химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и Университета Франсуа Рабле (Франция).