Обманутая физика: ученые создали форму железа, которой нет в природе
Российские ученые впервые получили стабильное гамма-железо при комнатной температуре. Данный вид не обладает магнитными свойствами, и его можно будет применить в стелс-технологиях. Ранее считалось, что гамма-железо существует только при температуре выше 917 ℃. Группа ученых из Казанского федерального университета обманула природу, вырастив наночастицы «несуществующего материала» на подложке из оксида графена.
Периодичность повторения атомов в строго определенных местах относительно друг друга называют кристаллической решеткой. Один и тот же металл может иметь несколько форм с разной кристаллической структурой. Причем физические свойства этих форм будут отличаться.
Железо существует в двух ипостасях — альфа (феррит) и гамма (аустенит). Кристаллическая структура первого представляет собой куб с атомами в углах и одним в центре. В таком виде этот металл существует в природе. Но если его нагреть до температуры выше 917 ℃, кристаллическая решетка перестраивается в аустенит.
Обычно при понижении температуры гамма-железо снова превращается в феррит, но ученые из Казанского федерального университета сумели обойти законы физики. Исследователи вырастили частицы гамма-железа на подложке из оксида графена.
По мнению ученых, стабильное гамма-железо удалось получить именно за счет углерода, входящего в состав графена.
— Стабилизировать частицы гамма-железа помогают сложные структуры их оболочек, — пояснил старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Перспективные углеродные наноматериалы» КФУ Айрат Димиев. — Наночастицы состоят из ядра и двух оболочек. В ядре на 200 атомов железа приходится один атом углерода. Первая оболочка содержит намного больше углерода, чем в ядре, а вторая представляет собой несколько слоев графена.
По предположению ученых, ядро берет себе из оболочки столько углерода, сколько ему нужно для стабилизации, за счет чего и достигается постоянная гамма-форма даже при комнатной температуре. Лишний углерод выкристаллизовывается на поверхности в форме графена, формируя третий слой наночастицы.
— В том, что гамма-модификация получена в виде наноструктур в углеродной матрице, нет ничего удивительного, — считает заведующий кафедрой неорганической химии МГУ Андрей Шевельков. — В наноструктурах малое отношение объема к поверхности, и привычные для объемных тел законы термодинамики не соблюдаются. В наноструктурированном состоянии поверхность играет возрастающую роль с уменьшением размера частиц. В случае взаимодействия одной поверхности с поверхностью другого материала, например, углеродного, происходит дополнительная стабилизация нетипичного с термодинамической точки зрения состояния, чем в полной мере воспользовались ученые КФУ.
В отличие от альфа-железа, аустенит не является ферромагнетиком, то есть не сохраняет намагниченность. Поэтому гамма-железо может быть востребовано в тех случаях, где магнитные свойства не нужны, например, для антенн, радаров и «стелсовских невидимок».
В таких технологиях используют сложные многослойные покрытия с часто взаимоисключающими свойствами. Требуются материалы как поглощающие радиочастотное излучение, так и отражающие его. Среди поглощающих нужны материалы как с высоким, так и с низким коэффициентом потерь поглощенного излучения. Это достигается, как правило, тонким компромиссом между высокой электрической проводимостью и слабой связью между намагниченностью вещества и магнитным полем. Поэтому, вполне может потребоваться материал, исключающий как раз магнитную составляющую, каким и является гамма-железо.
— Сомнений, что получено именно гамма-железо, нет, — сообщил старший научный сотрудник Химического института имени А.М. Бутлерова КФУ Фарит Вагизов. — Чтобы удостовериться в этом, физики Казанского федерального университета провели рентгеноструктурный анализ синтезированного материала, а также исследовали его методом Мессбауэровской спектроскопии.
Дальнейшие исследования ученые планируют посвятить изучению свойств гамма-железа — его стойкости к коррозии и каталитическим свойствам.
