Частицы гамма-железа были выращены на подложке из оксида графена. Работа осуществлялась в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, химиками и физиками Казанского федерального университета. Кроме того, свой вклад внесли ученые двух германских вузов: Свободного университета Берлина и Ульмского университета. Результаты совместного исследования опубликованы в журнале Journal of the American Chemical Society.

«При комнатной температуре железо существует в так называемой альфа-форме, – вводит в курс дела руководитель проекта, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Перспективные углеродные наноматериалы» Химического института Казанского федерального университета Айрат Димиев. –  Если его нагреть до 917 градусов, то кристаллическая структура железа начнет перестраиваться из альфа-формы в гамма-форму. При понижении температуры происходит обратный переход гамма-формы в привычную альфа-форму.  Две этих  формы железа различаются  не только кристаллическими решетками, но и физическими свойствами. Альфа-железо – это ферромагнетик, а гамма-железо очевидными магнитными свойствами не обладает. Гамма-форма железа не может существовать при температурах ниже 917 градусов Цельсия, а  мы ее синтезировали! По сути, мы сделали то, чего  не может быть».

Международной группе ученых удалось обмануть природу, вырастив наночастицы гамма-железа на подложке из оксида графена.

«Синтез происходил в два этапа, – объясняет  Айрат Маратович. – Во время первого, жидкофазного, в результате  взаимодействия раствора солей железа с оксидом графена был получен нанокомпозитный материал. Затем, на втором этапе, созданный материал отжигался  при высоких температурах в инертной атмосфере. Процесс выращивания наночастиц железа достаточно сложный. При повышении температуры от комнатной до  900 градусов железо проходит разные стадии, в результате чего появляются  аморфные соединения, оксиды, альфа-форма и, наконец, гамма-форма. Мы не доходили до порога 917 градусов – работали в диапазоне от 800 до 900 градусов Цельсия. Именно при таких температурах шло образование гамма-железа».

По мнению ученых, ключевую роль в синтезе стабильных при комнатной температуре наночастиц гамма-железа играет углерод. Оксид графена, из которого состоит подложка, представляет собой одновременно и химический реагент, восстанавливающий  металл, и стабилизирующий наночастицы компонент. Кроме того, стабилизировать наночастицы помогают сложные структуры их оболочек.

«Внутренний слой оболочек представляет собой твердый раствор углерода в железе, а наружный состоит из 3-7 слоев графена. Оболочка служит буферным материалом, который контролирует содержание углерода в ядре. Мы полагаем, что стабильность гамма-формы обусловлена тем, что небольшой процент атомов углерода проникает  в ядро и таким образом стабилизирует его», – отмечает химик.

Физики Казанского федерального университета провели рентгеноструктурный анализ синтезированного материала, а также исследовали его методом Мессбауревской спектроскопии. В том, что это именно гамма-железо, сомнений на сегодняшний день нет.

«Сейчас мы проводим много экспериментов с наноматериалом. Постепенно нам становится ясно, какие факторы приводят к увеличению гамма-фазы, а какие – к ее уменьшению, – говорит  Айрат Димиев. – Что касается применения гамма-железа, то теоретически это могут быть сложные композиционные материалы, используемые в антеннах и в стелс-технологиях, где необходимо исключить магнитную составляющую. Возможно также, что гамма-железо  обладает специфической каталитической активностью, отличной от той, которая присуща альфа-железу. Чтобы это выяснить, надо проводить специальные исследования».