powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2023-3-6-13powder-822Research ArticleПроцессы получения и свойства порошковProduction Processes and Properties of PowdersЕстественное и термостимулированное старение наноразмерных порошков феррошпинели кобальтаNatural and thermally stimulated aging of nanosized powders of cobalt ferrospinelhttps://orcid.org/0000-0003-0716-8685НевмывакаА. А.NevmyvakaA. A.

Анна Алексеевна Невмывака – к.х.н., старший научный сотрудник

634055, Россия, г. Томск, Академический пр-т, 10/4

Anna A. Nevmyvaka – Cand. Sci. (Chem.), Senior Research Scientist

10/4 Akademicheskii Prosp., Tomsk 634055, Russia

kaa151@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6097-9965ЖуравлевВ. А.ZhuravlevV. A.

Виктор Алексеевич Журавлев – к.ф.-м.н., доцент кафедры радиоэлектроники

634050, Россия, г. Томск, Ленина пр-т, 36

Viktor A. Zhuravlev – Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assistant Professor of the Department of Radioelectronics

36 Lenina Prosp., Tomsk 634050, Russia

ptica@mail.tsu.ruhttps://orcid.org/0009-0002-5248-0360ИтинВ. И.ItinV. I.

Воля Исаевич Итин – к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник

634055, Россия, г. Томск, Академический пр-т, 10/4

Volya I. Itin – Cand. Sci. (Phys.-Math.), Leading Researcher

10/4 Akademicheskii Prosp., Tomsk 634055, Russia

galitina@mail.ruТомский научный центр Сибирского отделения Российской академии наукРоссияTomsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНаучно-исследовательский Томский государственный университетРоссияNational University Tomsk State UniversityRussian Federation202319092023173613Copyright © НИТУ "МИСИС", 20232023НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/822

Методом механохимического синтеза получены наноразмерные порошки кобальтовой феррошпинели со средним размером частиц в интервале 3–15 нм. Элементный состав нанопорошков, исследованный методом рентгеновского флуоресцентного анализа, нестехиометрический и соответствует формуле Co0,7±0,05Fe2,3±0,05O4 . При времени механохимического синтеза 25 мин и выше содержание шпинельной фазы достигает 90 об. %, в образцах также присутствуют фазы гематита, бета-модификации гидроксида железа и рентгеноаморфной фазы. В результате естественного старения при комнатной температуре фазовый состав нанопорошков существенно меняется: увеличивается содержание шпинельной фазы, а гематита и аморфной фазы уменьшается в несколько раз. Также заметно возрастают намагниченность насыщения и эффективное поле анизотропии нанопорошков кобальтовой феррошпинели. Таким образом, термостимулированное старение порошков существенно ускоряет процессы изменения фазового состава, структурных параметров и магнитных свойств и увеличивает степень превращения при образовании феррошпинели кобальта.

This article presents the production of nanosized powders of cobalt ferrospinel through mechanochemical synthesis, resulting in an average particle size ranging from 3 to 15 nm. The elemental composition of the nanopowders, analyzed using X-ray fluorescent analysis, is found to be nonstoichiometric and can be represented by the formula: Co0.7±0.05Fe2.3±0.05O4 . When the duration of mechano­chemical synthesis exceeds 25 min, the spinel phase constitutes approximately 90 vol. % in the samples. Additionally, the samples contain hematite phases, the beta modification of iron hydroxide, and an X-ray amorphous phase. Natural aging at room temperature leads to significant changes in the phase composition of the nanopowders. Specifically, there is an increase in the content of spinel phase, while the content of hematite and the amorphous phase decrease significantly. Furthermore, the saturation magnetization and effective field of anisotropy of the cobalt ferrospinel nanopowders exhibit noticeable increments. Consequently, thermal aging of the powders accelerates the changes in phase composition, structural parameters, and magnetic properties, as well as enhances the transformation extent during the formation of cobalt ferrospinel.

механохимический синтезкобальтовая феррошпинельнанопорошкиестественное старениетермическое старениемагнитная анизотропияmechanochemical synthesiscobalt ferrospinelnanopowdersnatural agingthermally stimulated agingmagnetic anisotropyРабота выполнена при поддержке Программы повышения конкурентоспособности ТГУ («Приоритет-2030) и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № 121031800148-5).The research was supported by the TSU Competitiveness Improvement Program (“Priority-2030”) and the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under project № 121031800148-5.ReferencesБолдырев B.B. Исследования по механохимии твердых веществ. Вестник Российского фонда фундаментальных исследований. 2004;3(37):38–58.Boldyrev V.V. Research on the mechanochemistry of solid. Vestnik Rossiiskogo fonda fundamental’nykh issledovanii. 2004;3(37):38–59. (In Russ.).Michalchuk A.L., Boldyreva E.V., Belenguer A.M., Emmerling F., Boldyrev V.V. Tribochemistry, mechanical alloying, mechanochemistry: What is in a name? Frontiers in Chemistry. 2021;9:685789. https://doi.org/10.3389/fchem.2021.685789Michalchuk A.L., Boldyreva E.V., Belenguer A.M., Emmerling F., Boldyrev V.V. Tribochemistry, mechanical alloying, mechanochemistry: What is in a name? Frontiers in Chemistry. 2021;9:685789. https://doi.org/10.3389/fchem.2021.685789Takacs L. The historical development of mechanoche­mistry. Chemical Society Reviews. 2013;42(18):7649–7659. https://doi.org/10.1039/C2CS35442JTakacs L. The historical development of mechanoche­mistry. Chemical Society Reviews. 2013;42(18):7649–7659. https://doi.org/10.1039/C2CS35442JGhada A.Al Bazedi, Aiman Eid Al-Rawajfeh, Mona A. Abdel-Fatah, Mohammad R. Alrbaihat, Ehab AlShamaileh. Synthesis of nanomaterials by mechanoche­mistry. In: Handbook of greener synthesis of nanomaterials and compounds. Vol. 1: Fundamental principles and me­­thods. Elsevier, 2021. P. 405–418. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-821938-6.00011-6Ghada A.Al Bazedi, Aiman Eid Al-Rawajfeh, Mona A. Abdel-Fatah, Mohammad R. Alrbaihat, Ehab AlShamaileh. Synthesis of nanomaterials by mechanoche­mistry. In: Handbook of greener synthesis of nanomaterials and compounds. Vol. 1: Fundamental principles and me­­thods. Elsevier, 2021. P. 405–418. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-821938-6.00011-6Delogu F., Gorrasi G., Sorrentino A. Fabrication of polymer nanocomposites via ball milling: Present status and future perspectives. Progress in Materials Science. 2017;86: 75–126. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.01.003Delogu F., Gorrasi G., Sorrentino A. Fabrication of polymer nanocomposites via ball milling: Present status and future perspectives. Progress in Materials Science. 2017;86: 75–126. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.01.003Avvakumov E., Senna M., Kosova N. Soft mechanoche­mical synthesis: a basis for new chemical technologies. Boston, Dordrecht, London: Kluver Academic Publ., 2001. 208 p. https://doi.org/10.1007/b114163Avvakumov E., Senna M., Kosova N. Soft mechanoche­mical synthesis: a basis for new chemical technologies. Boston, Dordrecht, London: Kluver Academic Publ., 2001. 208 p. https://doi.org/10.1007/b114163Губин С.П., Кокшаров Ю.Л., Хомутов Г.Б., Юрков Г.Ю. Магнитные наночастицы: методы получения, структура и свойства. Успехи химии. 2005;74(6):539–574.Gubin S.P., Koksharov Yu.L., Khomutov G.B., Yur­­kov G.Yu. Magnetic nanoparticles: preparation, structure and properties. Russian Chemical Reviews. 2005;74(6): 489–520.Said M. Al Azar, Ahmad A. Mousa. Mechanical and phy­sical methods for the metal oxide powders production. In: Metal oxide powder technologies. Elsevier, 2020. P. 169–187. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817505-7.00008-7Said M. Al Azar, Ahmad A. Mousa. Mechanical and phy­sical methods for the metal oxide powders production. In: Metal oxide powder technologies. Elsevier, 2020. P. 169–187. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817505-7.00008-7Tsuzuki T. Mechanochemical synthesis of nanoparticles. In: Encyclopedia of Nanomaterials. 1st Ed. Elsevier, 2023. P. 39–47. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-822425-0.00058-0Tsuzuki T. Mechanochemical synthesis of nanoparticles. In: Encyclopedia of Nanomaterials. 1st Ed. Elsevier, 2023. P. 39–47. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-822425-0.00058-0Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. М.: Физматлит, 2001. 224 c.Gusev A.I., Rempel A.A. Nanocrystalline Materials. Camb­ridge International Science Publishing, 2004. 351 p.Mikhaylov G., Mikac U., Magaeva A.A., Itin V.I., Nai­den E.P., Psakhye I., Babes L., Reinheckel T., Peters Ch., Zeiser R., Bogyo M., Turk V., Psakhye S.G., Turk B., Vasiljeva O. Ferri-liposomes as an MRI-visible drug-delivery system for targeting tumours and their microenvironment. Nature Nanotechnology. 2011;6(9):594–602. https://doi.org/10.1038/nnano.2011.112Mikhaylov G., Mikac U., Magaeva A.A., Itin V.I., Nai­den E.P., Psakhye I., Babes L., Reinheckel T., Peters Ch., Zeiser R., Bogyo M., Turk V., Psakhye S.G., Turk B., Vasiljeva O. Ferri-liposomes as an MRI-visible drug-delivery system for targeting tumours and their microenvironment. Nature Nanotechnology. 2011;6(9):594–602. https://doi.org/10.1038/nnano.2011.112Chatelain Ch. On universality in ageing ferromagnets. Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment. 2004;6:P06006. https://dx.doi.org/10.1088/1742-5468/2004/06/P06006Chatelain Ch. On universality in ageing ferromagnets. Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment. 2004;6:P06006. https://dx.doi.org/10.1088/1742-5468/2004/06/P06006Прудников В.В., Прудников П.В., Пуртов А.Н., Мамонова М.В. Эффекты старения в неравновесном поведении многослойных магнитных сверхструктур. Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 2016;104(11–12):797–805.Prudnikov V.V.,  Prudnikov P.V.,  Purtov A.N., Mamo­nova M.V. Aging effects in the nonequilibrium behavior of multilayer magnetic superstructures. JETP Letters. 2016;104(11):776–783. https://doi.org/10.1134/S0021364016230132Прудников В.В., Прудников П.В., Мамонова М.В. Особенности неравновесного критического поведения модельных статистических систем и методы их описания. Успехи физических наук. 2017;187(8):817–855. https://doi.org/10.3367/UFNr.2017.02.038067Prudnikov V.V., Prudnikov P.V., Mamonova M.V.  Nonequilibrium critical behavior of model statistical systems and methods for the description of its features. Physics-Uspekhi. 2017;60(8):762–797. https://doi.org/10.3367/UFNe.2017.02.038067Прудников В.В., Прудников П.В., Мамонова М.В. Эффекты старения в неравновесном поведении магнитных сверхструктур и их проявление в магнитосопротивлении. Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 2018;154(4(10)):855–867. http://dx.doi.org/10.1134/S0044451018100140Prudnikov V.V., Prudnikov P.V., Mamonova M.V.  Aging effects in the nonequilibrium behavior of magnetic superstructures and their manifestation in magnetoresistance. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2018;127(4):731–741. https://doi.org/10.1134/S1063776118100060Mukherjee T., Pleimling M., Binek Ch. Probing equilibrium by nonequilibrium dynamics: Aging in Co/Cr superlattices. Physical Review B. 2010;82(13):134425. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.134425Mukherjee T., Pleimling M., Binek Ch. Probing equilibrium by nonequilibrium dynamics: Aging in Co/Cr superlattices. Physical Review B. 2010;82(13):134425. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.134425Singhal R.K., Samariya A., Kumar S., Xing Y.T., Saito­vitch E. Influence of ageing on H-induced ferromagnetism in Zn1 − xMxO (M = Co, Fe, Mn). Materials Letters. 2010;64(16):1846–1849. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2010.05.016Singhal R.K., Samariya A., Kumar S., Xing Y.T., Saito­vitch E. Influence of ageing on H-induced ferromagnetism in Zn1 − xMxO (M = Co, Fe, Mn). Materials Letters. 2010;64(16):1846–1849. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2010.05.016Энциклопедия неорганических материалов. Т. 2. Киев: Главная редакция Украинской советской энциклопедии, 1977. 816 c.Encyclopedia of inorganic materials. Vol. 2. Kyiv: Glavnaya redaktsiya Ukrainskoi sovetskoi entsiklopedii. 1977. 816 p.Найден Е.П., Итин В.И., Магаева А.А., Терехова О.Г., Костикова В.А., Загребин Л.В., Шестов С.С. Влияние условий механохимического синтеза и термической обработки на фазовый состав, структурные пара­метры и магнитные свойства наноразмерных порошков феррошпинели кобальта. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2011;(1):3–8.Naiden E.P., Itin V.I., Magaeva A.A., Terekhova O.G., Kostikova V.A., Zagrebin L.V., Shestov S.S. Effect of conditions of the mechanochemical synthesis and heat treatment on the phase composition, structural parameters, and magnetic properties of nanodimensional powders of cobalt spinel ferrite. Russian Journal of Non-Ferrous Me­tals. 2012;53(5):399–403. https://doi.org/10.3103/S1067821212050100Yevdokimov Yu.M., Pershina A.G., Salyanov V.I., Magae­­va A.A., Popenko V.I., Shtykova E.V., Dadinova L.A., Skuridin S.G. Superparamagnetic cobalt ferrite nanoparticles “blow up” the spatial ordering of double-stranded DNA molecules. Biophysics. 2015;60(3):341–347. https://doi.org/10.1134/S0006350915030057Yevdokimov Yu.M., Pershina A.G.,  Salyanov V.I., Magae­­va A.A., Popenko V.I., Shtykova E.V., Dadinova L.A., Skuridin  S.G. Superparamagnetic cobalt ferrite nanoparticles “blow up” the spatial ordering of double-stranded DNA molecules. Biophysics. 2015;60(3):341–347. https://doi.org/10.1134/S0006350915030057Креслин В.Ю., Найден Е.П. Автоматизированный комплекс для исследования свойств магнитожестких материалов. Приборы и техника эксперимента. 2002;(1):63–66.Kreslin V.Yu., Naiden E.P. Automatic complex for a study of the characteristics of hard magnetic materials. Instruments and Experimental Techniques. 2002;45(1):55–57. https://doi.org/10.1023/A:1014548225622Терехова О.Г., Итин В.И., Магаева А.А., Найден Е.П., Иванов Ю.Ф., Максимов Ю.М., Болдырев В.В. Механохимический синтез наноразмерных порошков ферритов из солевых систем. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2008;(1):45–50.Terekhova O.G., Itin V.I., Magaeva A.A., Naiden E.P. Mechanochemical synthesis of nanodimensional ferrite powders from salt systems. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2008;49(4):319–323. https://doi.org/10.3103/S1067821208040202Найден Е.П., Журавлев В.А., Итин В.И., Терехова О.Г., Тюкпиеков А.Н. Магнитные свойства наноразмерных порошков гексаферрита. Журнал структурной химии. 2004;45(7):S106–S111.Naiden E.P., Zhuravlev V.A., Itin V.I., Terekhova O.G., Tyukpiekov A.N. Magnetic properties of nanosized hexaferrite powders. Journal of Structural Chemistry. 2004;45(1):S106–S110. https://doi.org/10.1007/s10947-006-0103-4

The authors declare that there are no conflicts of interest present.