| Tytuł projektu: Nowe, funkcjonalne nanomateriały kompozytowe typu rdzeń-otoczka z rdzeniem żelazo-kobalt oraz żelazo-nikiel: wytwarzanie, właściwości oraz wpływ atmosfery utleniania i temperatury na wzrost otoczki |
Umowa:
UMO-2016/23/D/ST8/03268
Czas realizacji:
2017-09-29 / 2021-09-28
Konsorcjum:
Jedyny wykonawca
Sponsor:
NCN
Typ:
SONATA
Konkurs:
12
Lista wykonawców:
| 1 | dr inż. | Kamil Bochenek |
| 2 | dr inż. | Marcin Krajewski♦ |
| 3 | mgr inż. | Justyna Maj |
| 4 | dr inż. | Witold Węglewski |
| 5 | dr inż. | Agnieszka Witecka |
| ♦ kierownik |
Streszczenie:
Nanostruktury magnetyczne w postaci nanodrutów są bardzo interesującymi materiałami w związku z możliwością ich wykorzystania w różnych dziedzinach życia, takich jak: medycyna, farmacja, przemysł wojskowy, spintronika, sektor przetwarzania i magazynowania energii, czy kataliza. Dlatego też głównym celem projektu było opracowanie technologii wytwarzania nowych funkcjonalnych nanokompozytów typu rdzeń-otoczka (ang. core-shell) z rdzeniem bimetalicznym żelazo-kobalt (Fe-Co) i żelazo-nikiel (Fe-Ni) oraz ich charakteryzacja strukturalna. Materiały te były wytwarzane dwuetapowo. W pierwszej fazie wytwarzano materiały wyjściowe tj. amorficzne nanołańcuchów Fe-Co oraz Fe-Ni stanowiące rdzeń materiałów kompozytowych. Następnie, w drugi etapie badawczym, prowadzono ich utlenianie w temperaturach sięgających 600 °C oraz w atmosferach zawierających różną zawartość tlenu. Podjęte działania doprowadziły do wzrostu warstwy tlenkowej tzw. otoczki na rdzeniu materiału wyjściowego.
Materiały wyjściowe były syntezowane innowacyjną metodą łączącą wytwarzanie nanocząstek metali magnetycznych za pomocą prostej reakcji redukcji chemicznej wodnego roztworu zawierającego jony metali magnetycznych (prekursora) z roztworem wodnym silnego reduktora, którym był borowodorek sodu (NaBH4), przy użyciu zewnętrznego pola magnetycznego. Prowadziło to do uporządkowania powstających w reakcji nanocząstek wzdłuż linii sił zewnętrznego pola magnetycznego, które tworzyły długie proste łańcuchy nanocząstek – nanodruty. Skład chemiczny wytworzonych w projekcie nanołańcuchów był kontrolowany poprzez dobór odpowiednich proporcji roztworów soli prekursora tj. dichlorku żelaza (FeCl2) i dichlorku kobaltu (CoCl2) w przypadku syntezy nanołańcuchów Fe-Co oraz dichlorku żelaza (FeCl2) i dichlorku niklu (NiCl2) podczas produkcji nanołańcuchów Fe-Ni. Zewnętrzne pole magnetycznego o indukcji magnetycznej 0,05 T generowane było przez dwa sztabkowe magnesy neodymowe ustawione równolegle do siebie w specjalnie zaprojektowanym na potrzeby projektu uchwycie.
Drugim etapem wytwarzania nowych funkcjonalnych nanokompozytów typu rdzeń-otoczka był proces wysokotemperaturowego utlenianie wytworzonych wcześniej materiałów wyjściowych w temperaturach sięgających 600 °C prowadzonych w atmosferach zawierających różną zawartość tlenu w czasie 0,5 godziny. Proces ten pozwolił na wytworzenie dobrze obserwowalnej, z zastosowaniem technik mikroskopii elektronowej, otoczki tlenkowej na rdzeniu tj. materiale wyjściowym.
Prowadząc proces wygrzewania nanołańcuchów Fe-Co i Fe-Ni zaobserwowano, że utlenianie nanostruktury o składach chemicznych Fe0,75X0,25 oraz Fe0,50X0,50 (gdzie X = Ni lub Co) prowadzi do pokrycia rdzenia przez dobrze przylegającą warstwę tlenkową, na której tworzą się niewielkie nanocząsteczki tlenkowe. Jednocześnie stwierdzono, iż utlenianie nanołańcuchów o składzie Fe0,25X0,75 (gdzie X = Ni lub Co) powoduje powstanie otoczki tlenkowej w formie nanopłatków (ang. nanosheets) owijających rdzeń materiału. Badania doświadczalne wykazały także, że utlenione nanomateriały zostały pokryte przez mieszaniny tlenków żelaza i niklu lub kobaltu. Dodatkowo nanołańcuchy Fe0,25Ni0,75 i Fe0,25Co0,75 ujawniły odpowiednio obecność faz Ni3B oraz hcp Co (heksagonalna o sieci gęsto upakowanej kobaltu), które utrudniały utlenianie się tych nanostruktur.
Wyniki uzyskane w niniejszym projekcie rozwinęły obecną wiedzę na temat wytwarzania nanomateriałów bimetalicznych z użyciem zewnętrznego pola magnetycznego. W rezultacie badań po raz pierwszy zaprezentowano jak otrzymać jednowymiarowe, amorficzne nanołańcuchy Fe-Ni i Fe-Co. Ponadto wyniki projektu dostarczają informacji o: (i) tworzeniu nowych funkcjonalnych nanokompozytów typu rdzeń-otoczka pod wpływem obróbki termicznej z wykorzystaniem atmosfer o różnej zawartości tlenu oraz (ii) zmianach ich właściwości strukturalnych zachodzących pod wpływem wysokotemperaturowego utleniania. Pozwala to na prognozowanie i kontrolowanie ilości oraz rodzaju narastającej otoczki (warstwy tlenkowej) na powierzchni nanostruktur. Ponadto zaobserwowane zmiany chropowatości powierzchni utlenionych nanołańcuchów Fe-Ni oraz Fe-Co są jednocześnie bardzo istotne z punktu widzenia wykorzystania opracowanych technologii wytwarzania nanokompozytów w zastosowaniach biomedycznych (np. magnetyczna hipertermia do zwalczania komórek nowotworowych), w urządzeniach do magazynowania energii (elektrody negatywne w bateriach litowo-jonowych czy superkondensatorach), w katalizie, czy w procesach oczyszczania wód gruntowych. Tym samym w niedalekiej przyszłości będą one mogły stać się ważnym elementem składowym różnych rzeczy codziennego użytku, takich jak leki, telefony komórkowe, laptopy, pojazdy hybrydowe lub elektryczne, filtry do wody.
Obszar, dziedziny i dyscypliny naukowej:
| 3.3.5: | obszar nauk ścisłych, dziedzina nauk chemicznych, dyscyplina technologia chemiczna |
| 5.1.14: | obszar nauk technicznych, dziedzina nauk technicznych, dyscyplina inżynieria materiałowa |
| 5.1.19: | obszar nauk technicznych, dziedzina nauk technicznych, dyscyplina technologia chemiczna |
Lista publikacji:
| 1. | Krajewski M., Tokarczyk M., Lewińska S., Bochenek K., Ślawska-Waniewska A., Impact of thermal oxidation on morphological, structural and magnetic properties of Fe-Ni wire-like nanochains, METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE, ISSN: 1073-5623, DOI: 10.1007/s11661-021-06326-1, Vol.52, No.8, pp.3530-3540, 2021 |  | 200p. | |
| 2. | Krajewski M., Tokarczyk M., Lewińska S., Brzózka K., Bochenek K., Ślawska-Waniewska A., Evolution of structural and magnetic properties of Fe-Co wire-like nanochains caused by annealing atmosphere, Materials, ISSN: 1996-1944, DOI: 10.3390/ma14164748, Vol.14, No.16, pp.4748-1-14, 2021 |  | 140p. | |
| 3. | Krajewski M., Liou S.C., Chiou W.A., Tokarczyk M., Małolepszy A., Płocińska M., Witecka A., Lewińska S., Ślawska-Waniewska A., Amorphous FexCo1–x wire-like nanostructures manufactured through surfactant-free magnetic-field-induced synthesis, Crystal Growth and Design, ISSN: 1528-7483, DOI: 10.1021/acs.cgd.0c00070, Vol.20, No.5, pp.3208-3216, 2020 | | 100p. | |
| 4. | Krajewski M., Tokarczyk M., Stefaniuk T., Słomińska H., Małolepszy A., Kowalski G., Lewińska S., Ślawska-Waniewska A., Magnetic-field-induced synthesis of amorphous iron-nickel wire-like nanostructures, MATERIALS CHEMISTRY AND PHYSICS, ISSN: 0254-0584, DOI: 10.1016/j.matchemphys.2020.122812, Vol.246, pp.122812-1-7, 2020 | | 70p. | |
| 5. | Krajewski M., Tokarczyk M., Witecka A., Lewińska S., Ślawska-Waniewska A., Płocińska M., Towards magnetic bimetallic wire-like nanostructures ‒ magnetic field as growth parameter, ACTA PHYSICA POLONICA A, ISSN: 0587-4246, DOI: 10.12693/APhysPolA.137.59, Vol.137, No.1, pp.59-61, 2020 | | 40p. | |
| 6. | Krajewski M., Tokarczyk M., Stefaniuk T., Lewińska S., Ślawska-Waniewska A., Thermal treatment of chains of amorphous Fe1–xCox nanoparticles made by magnetic-field-induced coreduction reaction, IEEE Magnetics Letters, ISSN: 1949-307X, DOI: 10.1109/LMAG.2019.2950644, Vol.10, pp.6108405-1-5, 2019 | | 70p. | |
| 7. | Krajewski M., Tokarczyk M., Witecka A., Lewińska S., Ślawska-Waniewska A., Małolepszy A., Liou S.C., Chiou W.A., Manufacturing and magnetic properties of FexCo1‒x wire-like nanoalloys, CNM 2019, 6th CONFERENCE ON NANO- AND MICROMECHANICS, 2019-07-03/07-05, Rzeszów (PL), pp.103-104, 2019 | | ||
| 8. | Krajewski M., Tokarczyk M., Stefaniuk T., Kowalski G., Lewińska S., Ślawska-Waniewska A., High temperature treatment of nanochains composed of Fe1‒xCox nanoparticles, IBCM 2019, III International Baltic Conference on Magnetism: focus on nanobiomedicine and smart materials, 2019-08-18/08-22, Svetlogorsk (RU), pp.52-52, 2019 | | ||
| 9. | Krajewski M., Magnetic-field-assisted synthesis of iron-based wire-like nanostructures, IMSNC-2019, 2nd International Conference on Material Science and Nanotechnology, 2019-07-15/07-17, London (GB), pp.48-48, 2019 | | ||
| 10. | Krajewski M., Tokarczyk M., Witecka A., Lewińska S., Ślawska-Waniewska A., Liou S.C., Chiou W.A., Płocińska M., Towards magnetic 1D nanostructures - magnetic field as a growth parameter, LIV Zakopane School of Physics Breaking Frontiers: Submicron Structures in Physics and Biology, 2019-05-21/05-25, Zakopane (PL), pp.42-42, 2019 | | ||
| 11. | Liou S.C., Krajewski M., Chiou W.A., Tokarczyk M., Kowalski G., TEM Studies of Fe1-xNix Nanowires by Magnetic-Field-Induced Synthesis, M&M 2019, Microscopy & Microanalysis 2019, 2019-08-04/08-08, Portland (US), DOI: 10.1017/S143192761901170X, No.25, pp.2194-2195, 2019 | | ||
| 12. | Krajewski M., Tokarczyk M., Kowalski G., Witecka A., Magnetic-field-induced synthesis of bimetallic wire-like nanostructures, NANOSMAT, 13th International Conference on Surfaces, Coatings and Nanostructured Materials, 2018-09-11/09-14, Gdańsk (PL), No.107, pp.55-56, 2018 | |