В рамках работы, поддержанной Российским научным фондом (РНФ), команда исследователей из Дагестанского государственного университета и партнерских организаций создала усовершенствованный материал на базе феррита висмута с частичным замещением висмута на гадолиний. Такое научное решение открыло перед составом новые впечатляющие возможности: удалось значительно повысить фоторазложение органического красителя метиленового синего — довести эффективность процесса со стандартных 73% для чистого феррита висмута до почти полного удаления вещества, то есть 99%. Этот инновационный подход также улучшил магнитные свойства материала, что открывает дорогу применению новых композитов в сферах очистки воды и энергоэффективной памяти.
Феррит висмута — платформа для инноваций
Феррит висмута, соединение элементов висмута, железа и кислорода, уже давно находится в центре внимания материаловедов и специалистов по экологии. Данное вещество сочетает в себе уникальные свойства: способно катализировать разложение вредных органических соединений под светом и проявляет четко выраженное магнетическое упорядочение. Первое качество сулит применение в современных фильтрах для воды и экологичных очистных системах, а второе — большие перспективы в области создания энергоэффективных устройств хранения данных, где важны долговечность и надежность. Однако, несмотря на многообещающие свойства, "чистый" феррит висмута ограничен в области действия как фотокатализатор и уступает по силе магнетизации более специализированным материалам.
Гадолиний как путь к совершенству: методика синтеза
Чтобы расширить границы свойств феррита висмута, ученые из Дагестанского государственного университета, в сотрудничестве с коллегами из таких научных центров, как МИРЭА — Российский технологический университет, Южный федеральный университет и Институт физики имени Х.И. Амирханова ДФИЦ РАН, предложили заменить атомы висмута на гадолиний — редкоземельный элемент с особой электронной структурой. Синтез осуществляли методом горения, применяя нитраты соответствующих металлов и глицин как топливо. Смесь реактивов выпаривали при температуре порядка 300°С, после чего получали гель, самовоспламеняющийся и формирующий чистый нанопорошок. В процессе удалось получить ряд образцов с различным содержанием гадолиния: 5%, 10%, 15% и 20% относительно атомов висмута.
Как гадолиний меняет структуру и свойства материала
Введение гадолиния сыграло важную роль: поскольку его атом меньше по размеру, чем атом висмута, кристаллическая решетка феррита испытывает дополнительное напряжение. Это становится причиной фазовых изменений, влияющих на магнитные, диэлектрические и фотокаталитические характеристики состава. Исследования четко продемонстрировали: чем выше концентрация гадолиния, тем более выражены желаемые эффекты. Особенно ярко себя проявил образец с 20-процентной заменой — всего за 45 минут он разлагал 99% метиленового синего под действием ультрафиолета и видимого света. Примерно такие же результаты (96–98%) показали образцы с 10% и 15% гадолиния, что намного превосходит исходный феррит висмута, показавший лишь 73%-ную эффективность за один час.
Оптимизация свойств: баланс концентрации и возможностей
В процессе работы было установлено, что для каждого из функциональных свойств существует своя идеальная доля гадолиния. При 10% достигается максимальное намагничивание, впечатляющая диэлектрическая проницаемость фиксируется на 15%, а рекордная фотокаталитическая активность отмечается при 20%. Такая тонкая настройка состава позволяет целенаправленно усиливать отдельные качества материала, ориентируясь на задачи промышленности или экологии. Это наглядно доказывает гибкость новых материалов — теперь можно проектировать соединения с заранее заданными характеристиками.
Команда, идеи и перспективы развития
Как отмечает руководитель проекта Нариман Алиханов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры физики конденсированного состояния и наносистем Дагестанского государственного университета, оптимизация состава феррита висмута открывает путь к созданию новых экологичных технологий. В ближайших планах исследователей — изучение воздействия других редкоземельных элементов и совершенствование условий синтеза, а также разработка композитов с полимерными матрицами для расширения функциональных возможностей материала. Участие в проекте приняли специалисты из МИРЭА — Российского технологического университета, Южного федерального университета и Института физики имени Х.И. Амирханова ДФИЦ РАН.
Появление подобного материала сулит значительные улучшения в сфере очистки воды, повышает потенциал отечественной электроники и обеспечивает экологичное решение сложных промышленных задач. Благодаря поддержке РНФ и усилиям российских научных коллективов, будущее современной функциональной и экологичной химии выглядит более оптимистично, чем когда-либо.
