Способ получения ферромагнитных металлических наночастиц с твердой изоляционной оболочкой

Способ получения ферромагнитных металлических наночастиц с твердой изоляционной оболочкой

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к способам получения наночастиц магнитных материалов, в частности способа получения ферромагнитных металлических наночастиц, которые находят свое применение в микроэлектронике и радиотехнике, в магнитных носителях и устройствах магнитной записи с целью увеличения ее плотности; в медицине для транспортировки лекарственных веществ и биологических препаратов в заданные участки организма, направленные на борьбу с онкологическим заболеваниями; в диагностической медицине для магнитно-резонансной томографии; в дактилоскопии для получения более ярких и четких отпечатков пальцев с любых поверхностей, включая полиэтилен, металлическую фольгу и глянцевую бумагу, а также в других отраслях экономики.

Известны различные способы получения магнитных наночастиц (С.П. Губин и др. «Магнитные наночастицы: методы получения, строения и свойства» Успехи химии, 76(6), 2005 г.). При этом особое внимание уделяют на одновременное создание на таких частицах твердой изоляционной оболочки, то есть получение наночастиц со структурой «ядро-оболочка». Для получения таких структур, в основном, используют физические способы. Для нагрева и испарения исходных материалов применяют дуговой разряд, лазерное, плазменное испарение и другие энергетические источники.

Известен способ получения супермагнитных частиц Fe₂O₃, герметично капсулированных наноразмерными пленками SiO₂ при термическом разложении в пламени в окислительной атмосфере паров прекурсоров ацетилацетоната железа и гексаметилдисилоксана (A. Teleki. Hermetically Coated Superparamagnetic FeO Particles With SiO Nanofilms, Chemistry of Materials, ACS, 2009).

Недостатком этого способа является получение наночастиц из оксидов железа, которые по магнитным свойствам уступают наночастицам из металлического железа.

Наиболее близким по техническому решению и принятым нами в качестве прототипа является способ получения композитных нанопорошков, в котором нагрев вещества осуществляют релятивистским пучком электронов при атмосферном давлении до парофазного состояния, конденсацию путем при атмосферном давлении до парофазного состояния, конденсацию путем охлаждения паров в потоке газа и разделение образовавшейся двухфазной системы. Нагреву подвергают два одноэлементных вещества, образующих при нагреве однородный расплав, при конденсации паров которого образуются частицы твердого композитного нанопорошка типа «ядро-оболочка». Причем температура конденсации одного вещества ниже температуры конденсации второго вещества и выше максимальной температуры плавления обоих веществ. При этом нагрев производят поэтапно, предварительно - до получения однородного расплава, затем - путем увеличения мощности пучка электронов до парофазного состояния. Обеспечивается получение наночастиц, покрытых тонкой оболочкой из другого вещества, уменьшение степени их агломерации. (Патент RU 2412784, МПК B22F 9/12, В82В 3/00, 2011).

К недостаткам известного способа можно отнести невозможность получения наночастиц ферромагнитных металлов с твердой изоляционной оболочкой, поскольку исходные вещества представляют собой одноэлементные материалы, близкие по своим физико-химическим свойствам, и предназначены для получения наночастиц сплавов.

Задача настоящего изобретения - разработать новый способ получения наночастиц, изолированных твердой диэлектрической оболочкой из оксида алюминия.

Указанная задача решается тем, что предложен способ получения наночастиц с ядром из ферромагнитного металла и диэлектрической оболочкой из оксида алюминия, включающий переконденсацию исходного материала, отличающийся тем, что проводят плазменную переконденсацию в токе инертного газа частиц порошка оксида алюминия с нанесенным на их поверхность покрытием из ферромагнитного металла с массовой долей от 25% до 75% масс., с обеспечением послойного испарения частиц порошка оксида алюминия с нанесенным на их поверхность покрытием из ферромагнитного металла и последующего образования наночастиц путем первичной конденсации кластеров из ферромагнитного металла и конденсации на них паров оксида алюминия.

Предлагаемый способ получения ферромагнитных металлических наночастиц с твердой изоляционной оболочкой включает приготовление исходных порошков путем нанесения на частицы оксида алюминия покрытий из ферромагнитных металлов термической диссоциацией в газовой фазе легколетучих химических соединений этих металлов либо путем смешения предварительно подготовленных указанных металлизированных частиц порошков с порошками такого же или другого ферромагнитного металла. Далее исходные порошки засыпают в бункер с мешалкой и с помощью инертного транспортирующего газа проводят их дозированную подачу в зону плазмы реактора. При регулировании мощности нагрева плазмы и скорости подачи транспортирующего газа происходит последовательное послойное испарение частиц исходных порошков. При этом сначала происходит испарение поверхностного слоя частиц, состоящего из ферромагнитного металла, и частиц ферромагнитного металла, добавленных в исходную смесь, как имеющих более низкие, чем у материалов диэлектрика, температуры плавления. Образующиеся в плазме пары транспортирующим газом выносятся в более холодные зоны реактора, где происходит их конденсация с первичным формированием кластеров и зародышей ферромагнитных металлов, на которых конденсируются пары оксида алюминия. При этом образуются наночастицы со структурой ядро-ферромагнитный металл и оболочкой из оксида алюминия. Кроме того, возможно образование отдельных конгломератов наночастиц, состоящих из смесей зародышей ферромагнитного металла и диэлектрика. Образующиеся в реакторе наночастицы улавливаются в циклоне и на фильтре. Их выгружают и анализируют.

Предлагаемый способ позволяет получать наночастицы из ферромагнитных металлов, которые имеют соответствующие легколетучие металлоорганические соединения. Нанесение покрытия из ферромагнитного металла на каждую частицу исходных порошков оксида алюминия обеспечивает равномерное распределение исходных компонентов во всей массе получаемых нанопорошков.

Приведенные ниже примеры иллюстрируют, но не исчерпывают сущность данного изобретения.

Пример 1

В бункер реактора загружают 300 г порошка оксида алюминия, покрытого железом. Содержание железа составляет 25% по массе. Затем систему продувают аргоном, после чего включают нагрев плазмы и в течение 10 мин проводят стабилизацию. Далее включают мешалку бункера и дозирующим устройством с помощью транспортирующего газа с заданной скоростью исходный порошок подают в верхнюю часть реактора. Образующиеся частицы нанопорошка оседают в циклоне и остывают, затем их выгружают и анализируют.

Примеры использования порошков разных составов и свойств, полученных ферромагнитных металлических наночастиц с твердой изоляционной оболочкой представлены в таблице.

Как следует из таблицы, количество железа и электромагнитные параметры полученных нанопорошков с твердой изоляционной оболочкой зависят от содержания ферромагнитного металла в исходных порошках. Их оптимальная массовая доля находится в пределах от 25 до 75% в виде покрытия на поверхности частиц диэлектрика или с дополнительными к покрытию добавками порошков ферромагнитного металла.

1. Способ получения наночастиц с ядром из ферромагнитного металла и диэлектрической оболочкой из оксида алюминия, включающий переконденсацию исходного материала, отличающийся тем, что проводят плазменную переконденсацию в токе инертного газа частиц порошка оксида алюминия с нанесенным на их поверхность покрытием из ферромагнитного металла с массовой долей от 25 до 75 мас.% с обеспечением послойного испарения частиц порошка оксида алюминия с нанесенным на их поверхность покрытием из ферромагнитного металла и последующего образования наночастиц путем первичной конденсации кластеров из ферромагнитного металла и конденсации на них паров оксида алюминия.

2. Способ получения наночастиц с ядром из ферромагнитного металла и диэлектрической оболочкой из оксида алюминия, включающий переконденсацию исходного материала, отличающийся тем, что проводят плазменную переконденсацию в токе инертного газа смеси порошков, состоящей из порошка оксида алюминия с нанесенным на его поверхность покрытием из ферромагнитного металла и порошка ферромагнитного металла, с массовой долей ферромагнитного металла в смеси от 25 до 75 мас.%, с обеспечением послойного испарения частиц порошка оксида алюминия с нанесенным на их поверхность покрытием из ферромагнитного металла и последующего образования наночастиц путем первичной конденсации кластеров из ферромагнитного металла и конденсации на них паров оксида алюминия.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в покрытии частиц порошка оксида алюминия и в порошке ферромагнитного металла используют одинаковый ферромагнитный металл или разные ферромагнитные металлы.