Специалисты НИЯУ МИФИ усовершенствовали метод синтеза сложных оксидов, чтобы добиться наилучших свойств у материалов с широким диапазоном применения – от матриц для утилизации радиоактивных отходов до керамики в теплозащитных покрытиях. Кроме того, новые материалы могут быть использованы в качестве жаропрочных покрытий для авиационных и турбинных двигателей. Статья опубликована в журнале "Journal of Alloys and Compounds".
Сложные оксиды в системах "Ln2O3 — MO2", где Ln – редкоземельные элементы, а М – элемент подгруппы титана, интенсивно исследуются в последние годы из-за большого научного интереса к явлению фазового перехода "порядок-беспорядок", – имеется в виду расположение атомов в кристаллической решетке.
В научной литературе, как правило, приводятся данные по исследованию структуры и свойств хорошо закристаллизованных соединений Ln2M2O7, полученных методом твердофазного синтеза при высоких температурах. Ученых в данном случае интересует переход из аморфного состояния соединения в кристаллическое.
Но, по словам авторов исследования, такая методика не позволяет получить информацию о процессах формирования и эволюции нанокристаллических структур (это предкристаллическое состояние, – когда не все вещество имеет закристализованную структуру, а только некоторые его части).
В НИЯУ МИФИ применили другой метод синтеза, основанный на прокаливании при различной температуре исходно аморфных прекурсоров (предшественников будущего вещества), полученных соосаждением растворов соответствующих солей металлов.
"Нам впервые удалось проследить весь ход перестройки локальной атомной и электронной структуры указанных сложных оксидов в процессе эволюции и формирования из аморфного состояния нанокристаллической и кристаллической структуры", – пояснил профессор кафедры физики твердого тела и наносистем Алексей Менушенков. "Мы продемонстрировали, что и рентгеновская спектроскопия поглощения, и спектроскопия комбинационного рассеяния чрезвычайно чувствительны к перестройке локальной электронной и атомной структур сложных оксидов в зависимости от типа редкоземельного элемента и метода приготовления", — добавил он.
Важной частью работы стало применение уникальных методов изучения в комбинации. В ходе исследования ученые использовали рентгеновскую спектроскопию поглощения и рентгеновскую дифракцию с использованием синхротронного излучения, спектроскопию комбинационного рассеяния и инфракрасную спектроскопию, рентгеновскую сканирующую электронную микроскопию с энергодисперсионным анализом и термогравиметрический анализ.
Совмещение этих сложных и дорогостоящих методов необходимо, для того чтобы получить информацию о перестройке в катионной и анионной структуре вещества. Кроме того, дополнительные методы использовались для анализа образцов.
Исследование перестройки локальной атомной и электронной структуры проводилось методами рентгеновской спектроскопии поглощения EXAFS и XANES на станции BM08 (LISA) Европейского центра синхротронных исследований ESRF (Гренобль, Франция) в рамках проекта HC-3039 на получение пучкового времени, выигранного научной группой Менушенкова на конкурсной основе.
По словам ученых, результаты работы важны как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения получения оптимальных свойств сложных оксидов для различных практических применений. Кроме использования новых материалов в качестве керамических материалов для теплозащитных покрытий, матриц для утилизации радиоактивных отходов и создания твердооксидных топливных элементов, возможно задействовать полученные вещества в создании нейтроннопоглощающих материалов для ядерных реакторов.