Ультразвук ускорил превращение железа в магнитные наночастицы оксида

Результаты исследования опубликованы в журнале Ultrasonics Sonochemistry. Предложенный метод не требует растворимых солей железа, осаждающих агентов и реагентов для регулирования pH.

Наночастицы оксида железа шпинельного типа применяют в магнитных материалах, адсорбентах, катализаторах, магнитной сепарации и биомедицинских исследованиях. Обычно их получают из растворимых солей железа с использованием аммиака, гидроксида натрия или других реагентов.

Команда Университета Тохоку использовала другой подход: железный порошок диспергировали в воде и воздействовали на смесь ультразвуком.

Условия эксперимента

В ходе исследования 1,0 г железного порошка обрабатывали в воде ультразвуком с частотой 23 или 43 кГц. Температуру и продолжительность обработки меняли в зависимости от эксперимента.

Полученный материал исследовали методами рентгеновской дифракции, электронной микроскопии и магнитных измерений. При одном из наборов условий средний размер частиц составил около 32 нм, а намагниченность при максимальном приложенном поле — 85,6 эму/г.

Как температура влияет на окисление

После 24 часов обработки при частоте 43 кГц расчетная степень превращения железа в оксид шпинельного типа составила 36,1% при 30 °C, 68,5% при 40 °C и 63,7% при 60 °C.

В диапазоне от 40 до 60 °C размер частиц менялся незначительно. По оценке авторов, температура в этих условиях сильнее влияет на степень окисления, чем на размер частиц.

Для сравнения исследователи механически перемешивали такую же смесь при 40 °C в течение 72 часов. Окисление происходило и без ультразвука, однако оксид преимущественно оставался на поверхности железа в виде субмикрометровых частиц. При ультразвуковой обработке более мелкие частицы отделялись от поверхности и распределялись в воде.

Роль акустической кавитации

Авторы связывают различия с акустической кавитацией — быстрым образованием и схлопыванием микроскопических пузырьков. Этот процесс создает микроструи и ударные волны, которые разрушают и обновляют поверхность железа. Кроме того, кратковременно возникают локальные зоны высокой температуры и давления, а также химически активные вещества.

Предполагается, что совокупность этих эффектов ускоряет реакцию между твердым железом и водой. Точный механизм пока не подтвержден и требует дальнейшего изучения.

«Главная идея заключается не только в синтезе без использования реагентов», — отметил руководитель исследования, доцент Высшей инженерной школы Ямато Хаяси.

По его словам, работа демонстрирует прямое превращение металла в оксид в жидкой среде: ультразвук активирует границу между железом и водой, где формируются наноразмерные частицы.

Что необходимо для масштабирования

В эксперименте не применяли растворимые соли железа, осаждающие агенты и реагенты для регулирования pH, а также не использовали стадию промывки. В перспективе метод может позволить перерабатывать мелкодисперсные железные порошки или железный лом в оксидные материалы. Возможность такого применения, как и перенос подхода на другие оксиды металлов, еще предстоит подтвердить.

Дальнейшие исследования будут посвящены механизму реакции. Ученые планируют измерять содержание растворенных Fe²⁺ и Fe³⁺, гидроксильных радикалов и перекиси водорода в процессе обработки.

Для оценки промышленного потенциала также предстоит определить степень извлечения частиц, материальный баланс, скорость реакции и энергозатраты на единицу продукции. Отдельные задачи — оптимизация реактора, плотности акустической мощности и конфигурации ультразвукового преобразователя.