Forskare från Siberian Federal University (SFU) och Ryska vetenskapsakademin har använt en ny metod för att syntetisera järn-dysprosium granat. Magnetiska material av denna klass används i mikrovågsutrustning och magnetisk fotonutrustning. Järn-dysprosium granat är understuderad och kan ha tidigare okända egenskaper. Artikeln publicerades i Materialvetenskap och teknik .

Även om metoden för anjonhartsbytesutfällning har varit känd sedan 1960-talet, det har bara använts för att syntetisera hydroxider av aluminium, krom (III), järn (III), indium (III), och flera andra föreningar. Inga värdefulla genombrott har gjorts på detta område under de senaste 40 åren, och det finns nästan inga moderna publikationer om det. Ett team av sibiriska forskare var de första som använde anjonbytarharts för att erhålla komplexa oxidsystem. Detta arbete är en av en serie publikationer som utarbetats av forskarna från SFU och Ryska vetenskapsakademin.

"Vårt laboratorium har arbetat med metoden för utfällning av anjonhartsbyte som är tillämplig på olika system i två decennier nu, och genom att använda det har vi erhållit material med magnetiska egenskaper, " sa Svetlana Saikova, professor vid institutionen för oorganisk kemi vid SFU, och doktor i kemi.

Anjonhartsbytesfällning är en metod för så kallad "våt" kemi. Processen sker vid rumstemperatur och under atmosfärstryck. Produkten är syntetiserad från en blandning av vattenlösningar av salter, men istället för traditionella utfällningsmedel (alkali eller ammoniak) används ett anjonbytarharts. Det är en polymer - en olöslig matris i form av små (0,25-0,5 mm radie) mikropärlor som fångar anjoner från initiala salter.

Traditionell utfällning av metaller leder ofta till bildandet av icke-kristallina lösa avlagringar (dvs fint dispergerade partiklar utan någon struktur) som är svåra att separera från den avsjunkna elektrolyten. Användningen av anjonbytarharts förhindrar förorening av produkten med katjoner. Dessutom, på grund av det faktum att anjonerna i det ursprungliga saltet fångas av polymerpärlor, forskare kunde få rena metallhydroxider. Dessutom, anjonhartsutbytesutfällningen har goda resultat, som joner av lösningen bildar olösliga föreningar eller överförs till sorbentfasen.

En annan fördel med denna metod är att den producerar produkten under kontrollerade förhållanden utan höga temperaturer eller aggressiva ämnen. Alla reaktionsprodukter genereras samtidigt vilket underlättar deras fortsatta interaktion.

På grund av förmågan att optimera korrelationen mellan reagerande ämnen, för att välja jonbytarharts, och, om så krävs, för att lägga till ämnen som reglerar nederbördshastigheten till systemet kan forskare utföra syntesen med fasta pH-värden. Det är viktigt, om slutprodukten skulle ha vissa egenskaper, såsom metastabila eller aktiva faser vilket är omöjligt under regelbunden alkalisänkning på grund av den lokala övermättnadseffekten.

Denna metod är mycket bekvämare, billigare, och bättre kontrollerad än den fastfasgranatsyntesmetod som används idag för att erhålla majoriteten av granatstrukturerade föreningar. I denna metod, finmalda blandningar med speciell sammansättning gräddas i luft eller vakuum vid olika temperaturer. Med hänsyn till de nödvändiga egenskaperna hos slutprodukten, temperatur inom området 1300-1350° väljs. Dessutom, för att kompositionen ska vara homogen, fräsning och bakning görs flera gånger.

Den avlagring som erhålls under anjonbytessättningen bearbetas också med värme. Dock, det kräver 700-900° och kortare gräddningstid. Alla produkter sänks samtidigt, komponenterna börjar interagera på reaktionsstadiet, och ytterligare termisk bearbetning ökar endast interaktionshastigheten. På grund av hög aktivitet av prekursorer i nanostorlek (ämnen som deltar i reaktionen), material som erhålls med denna metod kan ha ovanliga egenskaper.

Särskilt, denna metod gjorde det möjligt för forskarna att syntetisera ett ämne med formeln Dy3Fe5O12 — järn-dysprosium granat. Fysikaliska metoder visade att avlagringarna bestod av 2-30 nm nanopartiklar med kristallstruktur. Granatens magnetiska egenskaper studerades med hjälp av magnetisk cirkulär dikroism.

Intresset för dessa ämnen bestäms av granatens breda spektrum av fysikaliska egenskaper. Till exempel, almandin, naturligt järn och aluminium granat (Fe ₃ Al ₂ Si ₃ O ₁₂ ) används ofta i smycken på grund av sin ljusa röda färg och hårdhet. Många granater har magnetiska egenskaper, också. Särskilt, aluminium-yttrium (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ ) och järn-yttrium granater (Y3Fe5O12) är vitt spridda och ganska väl studerade. De används ofta som komponenter i mikrovågsapparater, cirkulationspumpar, fasväxlare, magnetiska fotonanordningar och isolatorer. Nanokristaller av dessa material spelar en stor roll i produktionen av magnetiska material. Författarna studerade magnetiska egenskaper hos järn-dysprosium granat och fann att de förändrades om yttrium ersattes med dysprosium. Gruppen planerar en omfattande studie av granater med yttrium ersatt med andra sällsynta jordartsmetaller.