CC BY
20ISSN 0868-5886 НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2016, том 26, № 1, c. 54-57
— ФИЗИКА И ХИМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ ^
УДК 541.537
© А. И. Жерновой, С. В. Дьяченко
СРАВНЕНИЕ РАЗМЕРОВ И МАГНИТНЫХ МОМЕНТОВ НАНОЧАСТИЦ МАГНЕТИТА В ПОРОШКЕ И В КОЛЛОИДНОМ РАСТВОРЕ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОЙ КОНДЕНСАЦИИ (КРАТКОЕ СООБЩЕНИЕ)
В работе получены кривые намагничивания порошка и коллоидного раствора в воде наночастиц магнетита, изготовленных в одном и том же цикле химического осаждения, измерен также удельный вес и рентгеновский спектр порошка. Исследования показали, что объем частиц порошка в 2.88 раза больше, чем объем наночастиц коллоидного раствора. Следовательно, наночастица порошка состоит из 2-3 однодоменных наночастиц коллоидного раствора. Однако магнитный момент наночастицы порошка при насыщении намагниченности только в 1.44 раза больше магнитного момента однодоменной наночастицы коллоидного раствора. Это можно объяснить тем, что составляющие частицу порошка однодоменные наночастицы даже при насыщении намагниченности имеют непараллельные друг другу ориентации магнитных моментов.
Кл. сл.: порошок магнетита, коллоидный раствор наночастиц магнетита, размер наночастицы, магнитный момент наночастицы
ВВЕДЕНИЕ
Для приготовления порошка и коллоидного раствора наночастиц магнетита чаще всего используется технология химического осаждения щелочью наночастиц магнетита, образующихся из смеси компонент FeO и Fe2Oз, 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 наМ, А/м
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 на-ночастиц 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.
3000 2500 2000 1500 1000 500 0
Рис. 1. Кривая намагничивания коллоидного раствора однодоменных наноча-стиц магнетита.
М — намагниченность раствора, В — индукция магнитного поля внутри раствора
В/н0, А/м
120 000
4000
3500
0
20 000
40 000
60 000
80 000
100 000
СРАВНЕНИЕ РАЗМЕРОВ И МАГНИТНЫХ МОМЕНТОВ НАНОЧАСТИЦ МАГНЕТИТА... 55
- 150 0000
- 100 0000
50 000
40 000
30 000
20 000
10 000 0
М, А/м
-50 000
•
- 1С 000
- 20 000
- 30 000
- 40 000
- 50 000
50 000
* 1
100 000
150 000
В/м0, А/м
Рис. 2. Кривая намагничивания порошка магнетита.
М — намагниченность порошка, В — индукция магнитного поля внутри образца
М, А/м
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
0 0
Рис. 3. Полученная из данных рис. 1 зависимость намагниченности М коллоидного раствора магнетита от (1/В).
2.5 3 3.5 4 4.5 5
(х10-5) Мо/В, м/А
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/м0) - Н. Был измерен также удельный вес порошка магнетита wH = (m/V), где m — вес, V — объем навески порошка, и проведен его рент-генофазовый анализ, в результате которого по ди-фрактограмме определен размер кристаллической части частицы порошка dH.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Определение параметров наночастицы в коллоидном растворе
Определим магнитный момент Рр, объем Ур и размер dр наночастицы в коллоидном растворе. Для этого по графику рис. 1 строим зависимость намагниченности магнитной жидкости Мр от /о/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 нано-частиц пр: tga = пфТ//0 = 2.8-107. Отсюда получаем концентрацию
пр = tga(ло/kT) = (2.8- 107-4Я- 107/1.38^ 1023 300) =
0. 5
2
56
А. И. ЖЕРНОВОЙ, С. В. ДЬЯЧЕНКО
= (2.8 4 п /1.38 3) 1021 = 8.51021м-3.
Разделив намагниченность насыщения на концентрацию, находим магнитный момент наноча-
стицы Рр = (3670/8.5)10 = 4.310-19Ам2.
Разделив магнитный момент наночастицы на намагниченность чистого магнетита дм = 480 кА/м [2], находим объем наночастицы жидкости
Vp = (Рр/^м) = (4.3/4.8)-10-24 = 0.896^ 10
-1-24 3
м
Определение объема Уп наночастицы порошка
Определенный из рентгеновской дифрактограм-мы размер частицы порошка составляет 17 нм, откуда объем сферической частицы Уп = 2.5710 24 м3.
Определение магнитного момента Рп наночастицы порошка
Способ 1, учитывающий реальную взаимную ориентацию магнитных моментов молекул магнетита.
Измеренный удельный вес порошка wп = = 1217 кгм-3, удельный вес цельного магнетита wм = 5280 кгм- [2], следовательно, в одном кубическом метре порошка магнетит занимает объем V = = (1217/5280) = 0.234 м3. Разделив объ-
ем магнетита в 1 м3 порошка на объем одной частицы, находим число частиц порошка в единице объема Пп = 0.23 м3/(2.57-10-24 м3) = 8.9 -1023. Разделив намагниченность насыщения порошка Мнп = 55 000 А/м на концентрацию его частиц пп, получаем магнитный момент частицы порошка, определенный способом 1:
Рп1 = (5.5/8.9) 10(4-22) = 6.2^ 10-19 Ам2.
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 Уп, находим магнитный момент частицы порошка, определенный способом 2:
Рп2 = 4.81052.5710-24 = 12.310-19 Ам2.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Полученное отношение объемов частицы порошка и частицы коллоидного раствора (Уп/Ур) = = (2.57/0.896) = 2.87 показывает, что частица порошка состоит из нескольких (двух-трех) наноча-стиц коллоидного раствора. Сравнение магнитных моментов частицы порошка Рп1 и Рп2, определенных способами 1 и 2, показывает, что реальный магнитный момент частицы порошка Рп1 = = 6.2 10-19 Ам2 в 2 раза меньше, чем возможный максимальный магнитный момент Рп2 =
= 12.310-19 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 Рп1 < Рп2 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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жерновой А.И., Наумов В.Н., Рудаков Ю.Р. Получение кривой намагничивания дисперсии парамагнитных наночастиц путем нахождения намагниченности и намагничивающего поля методом ЯМР // Научное приборостроение. 2009. Т. 19, № 3. С. 57-61. URL: http://213.170.69.26/mag/2009/full3/Art8.pdf.
2. Берковский Б.М., Медведев В.Ф., Краков М.С. Магнитные жидкости. М.: Химия, 1989. 239 с.
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
Контакты: Жерновой Александр Иванович, [email protected]
Материал поступил в редакцию: 21.12.2015
ISSN 0868-5886
NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2016, Vol. 26, No. 1, pp. 54-57
COMPARE OF SIZES END OF MAGNETIC MOMENTS NANOPARTICLES OF A MAGNETIT IN A COLLOID SOLUTION AND IN A POWDER, PREPARED BY A CEMICAL SEDYMENTATION
(SHORT MESSAGE)
A. I. Zhernovoy, S. V. Diachenko
Saint-Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Russia
The magnetization curves of a powder and of a colloidal solution be received to define a sizes and a magnetic moments of nanoparticles. Size of a powder nanoparticle prove to be equal 2.88 of size a nanoparticle of colloidal solution, and a magnetic moment of a powder nanoparticle prove to be equal 1.44 of that colloidal solution. That's why, powder nanoparticle content 2-3 nanoparticles of colloid solution with a nonparallel magnetic moments.
Keywords: : magnetite powder, colloidal solution of nanoparticles of magnetite, nanoparticle size, magnetic moment of a nanoparticle
REFERENСES
1. Zhernovoy A.I., Naumov V.N., Rudakov Yu.R. [Paramagnetic nanoglobules dispersion curve definition via magnetization and magnetizable field using NMR method]. Nauchnoe Priborostroenie [Science Instrumentation], 2009, vol. 19, no. 3. pp. 57-61. URL: http://213.170.69.26/mag/2009/full3/Art8.pdf (In Russ.) .
2. Berkovskiy B.M., Medvedev V.F., Krakov M.S. Magnit-nye zhidkosti [Magnetic liquids]. Moscow, Chemistry Publ., 1989. 239 p. (In Russ.).
Contacts: Zhernovoy Aleksandr Ivanovich, [email protected]
Article received in edition: 21.12.2015
