Физика / 2. Физика твердого тела

Д. т. н. Горобец С.В. ¹, Легенький Ю.А. ², Пименов Ю.Н. ²

¹Национальный технический университет Украины «КПИ»; Украина; ²Донецкий национальный университет, Украина.

Управление локальной концентрацией ионов в растворе градиентным магнитным полем.

В работе [1] обнаружено неоднородное осаждение медных дендритов из раствора CuSO₄ на стальные тела, находящиеся в магнитном поле (рис.1). Гипотеза, объясняющая это явление, заключается в том, что ионы Fe²⁺, выходящие в раствор с поверхности стального тела в результате реакции Fe⁰+Cu²⁺=Fe²⁺+Cu⁰, под действием градиентного магнитного поля, создаваемого ферромагнитным телом, концентрируются вблизи его магнитных полюсов, препятствуя осаждению дендритов меди на полюсах. В настоящей работе для подтверждения гипотезы были визуализированы зоны локализации ионов железа, переходящих в раствор CuSO₄ при осаждении медных покрытий на стальной шарик в магнитном поле (рис.2). Визуализации добились путем добавления в раствор CuSO₄ ионов Ag⁺. При этом идет реакция Fe²⁺+Ag⁺=Fe³⁺+Ag⁰ c образованием мелкодисперсного серебра.

Рисунок 1. Неоднородное осаждение меди из раствора CuSO4 на стальной шарик в магнитном поле.	Рисунок 2. Визуализация областей с повышенной концентрацией ионов Fe на полюсах шара в растворе CuSO4 c добавлением AgNO3

Наблюдаемые на рис.2 «купола» представляют собой области с повышенной концентрацией ионов железа, с частичками восстановленного серебра. Возможность избирательного осаждения меди на ферромагнитных насадках, находящихся в магнитном поле, навела на мысль осуществить избирательное травление слоя, нанесенного на поверхность ферромагнитной насадки. Известно, что медь эффективно травится в водном растворе хлорного железа, содержащем ионы Fe³⁺, согласно реакции: Cu + 2Fe³⁺ à Cu²⁺ + 2Fe²⁺. Согласно [2] эффективный магнитный момент иона Fe³⁺ μ_эксп= 5,2-6,0 μ_Б, где μ_Б – магнетон Бора. Таким образом, при помещении в раствор хлорного железа ферромагнитной насадки и приложении магнитного поля, вблизи магнитных полюсов насадки будут формироваться области с повышенной концентрацией ионов Fe³⁺ , и, если при этом ферромагнитную насадку будет покрывать слой меди, то этот слой должен стравливаться быстрее на полюсах магнитной насадки.

Эксперимент проходил следующим образом: стержень из никеля диаметром D=0,3 мм, покрывали равномерным слоем меди и помещали в кювете в магнитную систему. Магнитное поле (H=1000 Э) было направлено перпендикулярно оси цилиндра. Кювету заполняли раствором хлорного железа FeCl₃ и с помощью микроскопа наблюдали за процессом травления. Через некоторый промежуток времени после начала травления, зависящий от концентрации хлорного железа, наблюдалось неоднородное стравливание слоя меди. Результат травления представлен на рисунке 2. Преимущественное стравливание происходило на тех участках поверхности ферромагнитной насадки, которые являются зонами захвата парамагнитных частиц (области магнитных полюсов). При этом области захвата диамагнитных частиц оставались покрытыми медью (см. рисунок 2).

Для контроля был проведен эксперимент по удалению слоя меди с никелевого цилиндра в отсутствии магнитного поля. Установлено что, в тех же условиях травления, но без воздействия магнитного поля, слой меди, нанесенный на никелевый цилиндр, стравливался однородно со всей поверхности цилиндра.

Рисунок 2. Фотография селективного стравливания слоя меди с ферромагнитного цилиндра, в растворе хлорного железа в магнитном поле.

Таким образом, в настоящей работе показано, что, управляя с помощью высоградиентных магнитных полей локальной концентрацией парамагнитных ионов в растворе, можно управлять интенсивностью химических реакций и осуществлять селективное осаждение и травление слоев на поверхности твердого тела.

Литература:

1. Горобец Ю.И., Горобец С.В., Легенький Ю.А., Лобода С.Н., Пименов Ю.Н Формирование медных покрытий железных образцов в неоднородном магнитном поле. // Металлофизика и новейшие технологи. -2006, т.28, №12, С. 1615-1620.

2. Селвуд П. Магнетохимия. М: Иностр. лит. – 1958. – 457 с.