Nové magnetické nanohybridy: od nanočástic oxidu železitého po nanočástice karbidu železa vypěstovaných na nanodiamantech

Abstract

The synthesis and characterization of a new line of magnetic hybrid nanostructured materials composed of spinel-type iron oxide to iron carbide nanoparticles grown on nanodiamond nanotemplates is reported in this study. The realization of these nanohybrid structures is achieved through thermal processing under vacuum at different annealing temperatures of a chemical precursor, in which very fine maghemite (γ-Fe2O3) nanoparticles seeds were developed on the surface of the nanodiamond nanotemplates. It is seen that low annealing temperatures induce the growth of the maghemite nanoparticle seeds to fine dispersed spinel-type non-stoichiometric ~5 nm magnetite (Fe3−xO4) nanoparticles, while intermediate annealing temperatures lead to the formation of single phase ~10 nm cementite (Fe3C) iron carbide nanoparticles. Higher annealing temperatures produce a mixture of larger Fe3C and Fe5C2 iron carbides, triggering simultaneously the growth of large-sized carbon nanotubes partially filled with these carbides. The magnetic features of the synthesized hybrid nanomaterials reveal the properties of their bearing magnetic phases, which span from superparamagnetic to soft and hard ferromagnetic and reflect the intrinsic magnetic properties of the containing phases, as well as their size and interconnection, dictated by the morphology and nature of the nanodiamond nanotemplates. These nanohybrids are proposed as potential candidates for important technological applications in nano-biomedicine and catalysis, while their synthetic route could be further tuned for development of new magnetic nanohybrid materials.V této studii je uvedena syntéza a charakterizace nové řady magnetických hybridních nanostrukturovaných materiálů složených z nanočástic oxidu železa typu spinel na karbid železa pěstovaných na nanodiamantových nanotemplátech. Realizace těchto nanohybridních struktur je dosažena tepelným zpracováním ve vakuu při různých teplotách žíhání chemického prekurzoru, ve kterém byla na povrchu nanodiamantových nanotemplate vyvinuta velmi jemná semena nanočástic maghemitu (γ-Fe2O3). Je vidět, že nízké teploty žíhání indukují růst semen nanočástic maghemitu na jemné dispergované nestechiometrické ~ 5 nm magnetitové (Fe3-xO4) nanočástice spinelového typu, zatímco střední teploty žíhání vedou k tvorbě jednofázového ~ 10 nm cementitu (Fe3C) nanočástice karbidu železa. Vyšší teploty žíhání vytvářejí směs větších karbidů železa Fe3C a Fe5C2, což současně spouští růst velkých uhlíkových nanotrubiček částečně naplněných těmito karbidy. Magnetické vlastnosti syntetizovaných hybridních nanomateriálů odhalují vlastnosti jejich nosných magnetických fází, které sahají od superparamagnetických po měkké a tvrdé feromagnetické a odrážejí vnitřní magnetické vlastnosti obsahujících fází, jakož i jejich velikost a vzájemné propojení diktované morfologií a povaha nanodiamantových nanotemplate. Tyto nanohybridy jsou navrženy jako potenciální kandidáti na důležité technologické aplikace v nano-biomedicíně a katalýze, zatímco jejich syntetická cesta by mohla být dále vyladěna pro vývoj nových magnetických nanohybridních materiálů