Чешское будущее наномагнитов

Чешские ученые создали самые маленькие металлические наномагниты в мире. Их размер в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Об успехах чешской науки уже сообщил престижный журнал Nature Communications. Чем же уникален столь маленький магнит, и как он будет использоваться в практической деятельности?

Случайное открытие

Графен востребован в электронике и оптике, Фото: Фото: TechGig

Первоначально чешские ученые занимались изучением графена и его свойства абсорбировать тяжелые металлы. Графен – двумерная «решетка», целиком составленная из атомов углерода. Ее толщина –всего один атом. Когда-то ученые начали более вдумчиво изучать эти структуры, их замечательные свойства вызвали энтузиазм во всем мире. Ведь графен прочнее стали в 100-300 раз. При этом он является отличным проводником тепла и электричества. Электроны могут беспрепятственно проходить сквозь него при любом примененном напряжении, поскольку не предусмотрено каких-то определенных положений «включено» и «выключено».

Итак, после нагревания графена получился материал, наделенный необычными магнетическими свойствами. При дальнейшем изучении оказалось, что железо там может сохраняться в виде атомов. Это было не совсем объяснимым, поскольку железо сохраняло трехмерную структуру при нормальных условиях. Обычные наноматериалы, такие, как, например, вышеуказанное железо, способны активно вступать в реакцию с другими элементами. Однако в данном случае произошло удержание отдельных, чрезвычайно маленьких наночастиц железа внутри графеновых плоскостей. Тем самым они корпускулировались, поэтому не могло произойти их окисления. Этим объясняется тот факт, почему данный материал на протяжении продолжительного времени остается стабильным. Существует ли отличие этого материала от классических магнитов, и где они могут применяться?

«Эти экспериментальные материалы имеют значительные отличия. С уменьшающимся размером появляются такие эффекты как суперпарамагнетизм, которые не являются типичными для обычного «поведения» магнитов. Спектр применения наномагнитов очень широк. Более всего возможностей мы можем найти в медицине. Этим вопросом занимаются коллеги в Оломоуце, где они тестируют различные возможности применения в этой области», - рассказывает доцент Зденек Софер из Института неорганической химии, лауреат премии Neuron Impuls 2016.

Возможности применения самых маленьких наномагнитов

Если быть более конкретными, то в медицине такое вещество может использоваться в качестве индикатора, или контрастного вещества для получения достоверного изображения в области магниторезонансной томографии. Помимо того, что данный материал обладает свойствами магнита, у него еще и крайне большая поверхность, поэтому он может служить в качестве носителя катализаторов для различных химических процессов. Значительным плюсом материала является и его экономичность: после реакции его можно легко «изъять» из процесса с помощью магнита и далее – повторно использовать. Простому обывателю бывает трудно представить физически такие новые наноматериалы. Можно ли их как-то описать?

Структура графена, Фото: Creative Commons Attribution 3.0 Unported, Alexander Aius

«Наномагниты и нанотрубки, в сущности, можно представить как лист бумаги, но толщиной в один атом, поэтому в нем появляется много уникальных свойств, в особенности с точки зрения электрических параметров. Также эти материалы могут, порой, демонстрировать интересные магнетические свойства. Ввиду их большой поверхности, существует возможность их применения в области экологии. Мы ведем разработки сразу в нескольких направлениях, поскольку самая эффективная область применения обнаруживается именно в ходе различных исследований. Одно из интересных направлений – изучение свойств этого материала с точки зрения электрической проводимости для использования в микроэлектронике», - продолжает Зденек Софер.

В Институте неорганической химии проводится целый спектр исследований в области различных нанотехнологий. Над чем работают ученые в настоящий момент?

«Да, сейчас поле нашей деятельности весьма широко. Можно говорить об уже многократно упоминавшихся материалах на базе углерода, причем не только графене, но и углеродных нанотрубках. В исследованиях новых наноматериалов существует множество ответвлений – например, неорганические аналоги графена. Плоскостной структурой обладает не только углерод, но и кремний, фосфор, мышьяк, и далее – различные соединения галогенидов полупроводниковых металлов, которые показывают себя как чрезвычайно перспективные материалы для электрокатализа».

Углеродные нанотрубки занимают широкую сферу применения. Это связано с тем, что они имеют молекулярную структуру в виде каркаса, позволяющую тем самым иметь свойства, отличающиеся от алмаза или графита. Именно благодаря своим отличительным чертам (прочность, проводимость, изгиб) углеродные нанотрубки применяются чаще, в сравнении с другими материалами. Применяется это углеродное изобретение в электронике, оптике, в машиностроении и т. д. Углеродные нанотрубки используют как добавки к различным полимерам и композитам для усиления прочности молекулярных соединений. Ведь всем известно, что молекулярная решетка углеродных соединений обладает невероятной прочностью, тем более в чистом виде.

Углеродные нанотрубки используются также в производстве конденсаторов и различного рода датчиков, анодов, которые необходимы для изготовления батареек, в роли поглотителя электромагнитных волн. Широкое применение это углеродное соединение нашло в сфере изготовления телекоммуникационных сетей и жидкокристаллических дисплеев. Также нанотрубки используются в качестве усилителя каталитических свойств в производстве осветительных устройств.

В ответе за будущее экологического транспорта

Иллюстративное фото: Ян Росенауер, Чешское радио

Ну, и если отойти от довольно наукообразных и весьма теоретических разговоров о будущем применения наноматериалов и подойти к реальности сегодняшнего дня, то мы окажемся в отрасли автомобилестроения. В последнее время все большую популярность набирают электромобили, но машины на водороде в качестве топлива получают от экологов самые высокие оценки. Вместе с тем, производство этого газа методом разложения воды по-прежнему является дорогостоящим. Этот процесс требует использования золота, иридия и платины. Коллектив Зденека Софера также занимается разработкой материала, который бы помог удешевить процесс производства водорода для автомобильной промышленности.

«Мы хотим получить материал, который бы по своим свойствам был приближен, в особенности, с точки зрения электрокаталитических способностей, к платиновым металлам. Тем самым, он значительно бы снизил прочные валентные связи водорода, а, соответственно, и энергозатратность всего процесса», - подытоживает доцент Зденек Софер из Института неорганической химии.