Ученые Томского политехнического университета разработали быстрый и экономичный способ получения порошков из полых микросфер магнетита — разновидности оксида железа — для создания материалов, поглощающих электромагнитное (сверхвысокочастотное, СВЧ) излучение. Из таких материалов можно изготавливать обшивку для военной техники, делая ее невидимой для радаров, а также защищающие от электромагнитного излучения покрытия для высокотехнологичных устройств. Кроме этого, получаемые учеными микропорошки могут быть использованы в области водородной энергетики и в медицине, для транспортной доставки лекарств, а также для лечения плохой свертываемости крови.
«Микрочастицы магнетита (Fe3O4) обладают уникальным набором магнитных характеристик, что делает этот материал перспективным для использования в поглотителях СВЧ-излучения»,
— рассказывает ассистент Отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики ТПУ Иван Шаненков.
Ввиду полой структуры и хороших магнитных свойств, частицы магнетита способны поглощать до 99,99% электромагнитного излучения в диапазоне частот от 4 до 12 ГГц. Таким образом, получаемые порошки можно использовать как маскирующее покрытие для военной техники — радиолокационная аппаратура не будет видеть ее на вышеуказанных частотах. Также покрытия из магнетита можно применять для защиты оптоволоконных кабелей и другого IT-оборудования от высокочастотных помех при высокоскоростной передаче данных. Кроме этого, магнетит используется в медицине как транспортная ячейка для лекарственных препаратов. Причем сами частицы магнетита для организма абсолютно безвредны и легко из него выводятся.
Получают ученые и другие разновидности оксидов железа в форме нанодисперсных и ультрадисперсных порошков. Например, альфа-фаза оксида железа служит основой для универсального дактилоскопического порошка.
Также политехники успешно синтезируют очень редкую эпсилон-фазу оксида железа, причем с высокой чистотой — до 90%.
«Это под силу только двум научным группам в мире: одна из них из Японии, другая — из Чехии, — отмечает Иван Шаненков. — Эпсилон-фаза — это полиморф оксида железа (II), который может быть получен только в лабораторных условиях и не имеет аналогов в природе. Преимущества этого материала в том, что он имеет самую большую коэрцитивную силу среди простых оксидов металлов (23 кЭ), а поглощение электромагнитного излучения у него на радиочастотах в 10 раз выше, чем у магнетита. Всего по теме исследований эпсилон-фазы в мире сегодня опубликовано не более 100 научных статей. Сейчас я пишу диссертацию, посвященную исследованию этого материала».
Метод политехников позволяет получать разные фазы оксидов железа за одну миллисекунду, в то время как аналогичные химические технологии требуют для этого от суток до трех недель. Кроме того, способ ТПУ еще и ресурсоэффективен. Получают оксиды железа томские политехники из простых водопроводных труб, а энергозатраты на один производственный процесс составляют около 5 рублей.
Получают оксиды железа ученые на уникальной установке — ускорителе плазмы, разработанном профессором отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Александром Сивковым.
«В ускоритель монтируется отрезок стальной водопроводной трубы длиной примерно 20 см, который выступает в роли рабочего. В ускорителе зажигается плазма, плазменный разряд проходит через стальную трубу, собирает с ее стенок металл и попадает в камеру-реактор, заполненную кислородом. В результате быстропротекающей плазмохимической реакции синтезируются нано- и микрочастицы оксида железа. Причем по своим свойствам они отличаются от оксидов железа, получаемых химическими методами, что вызывает интерес к нашей разработке со стороны коллег», — объясняет Иван Шаненков.
Так, недавно разработкой заинтересовался и московский НМИЦ гематологии.
«Наши порошки на основе магнетита и эпсилон-фазы оксида железа были исследованы на предмет свертываемости крови, получены положительные результаты, сейчас мы готовим совместный договор и планируем продолжить исследования в этой области», — говорит ученый.
Добавим, исследования свойств получаемых на уникальном ускорителе ТПУ порошков проводится томскими учеными совместно с коллегами из Цзилиньского университета (Китай) в рамках совместного гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ 17-53-53038 ГФЕН_а), полученного на 2017-2018 годы.
«В рамках гранта мы исследуем условия синтеза и абсорбционные свойства получаемых нами порошков оксида железа. Наша часть работы состоит в определении оптимальных условий синтеза и параметров системы, при которых получаются порошки различного фазового состава. А наши китайские коллеги под руководством профессора Гуаншэ Ли и профессора Хань Вэя — одного из первых иностранных выпускников аспирантуры ТПУ, — детально изучают микроструктуру и магнитные свойства получаемых нами разновидностей оксидов железа. Сейчас мы планируем продлить грант РФФИ, чтобы провести исследование радиочастотных свойств эпсилон-фазы оксида железа», — заключает Иван Шаненков.
Справка:
Сверхвысокочастотное излучение (СВЧ-излучение) — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазоны радиоволн (длина волны от 1 м — частота 300 МГц до 1 мм — 300 ГГц).
Добавим, ТПУ — участник Проекта 5-100, ключевым результатом которого должно стать появление в России к 2020-му году современных университетов-лидеров с эффективной структурой управления и международной академической репутацией, способных задавать тенденции развития мирового высшего образования.