Атомная подвижность в тройном жидком сплаве Ga--In--Sn эвтектического состава

Abstract

Проведены исследования ядерной спин-решеточной релаксации и сдвига Найта ядер 71 Ga, 69 Ga и 115 In в жидком тройном сплаве галлия, индия и олова эвтектического состава, введенном в поры опаловой матрицы и пористых стекол с размером пор 18 и 7 nm, в сравнении с объемным расплавом. Обнаружено ускорение продольной релаксации и уменьшение сдвига Найта, зависящие от размера пор. Рассчитано время корреляции атомного движения для наноструктурированного расплава в пористых матрицах. Показано, что атомная подвижность в расплаве понижается с уменьшением размера пор. DOI: 10.21883/FTT.2017.02.44062.254 1. Введение В последнее время значительно вырос интерес к исследованию тройного сплава галлия, индия и олова (GaInSn) в связи с расширяющейся областью его прак-тических применений. Как и другие тройные сплавы, сплав GaInSn изучен значительно меньше, чем бинар-ные сплавы металлов. Сплав GaInSn имеет фазовую диаграмму эвтектического типа [1]. Эвтектическая точка соответствует составу 75, 17 и 8 at.%. На практике используется сплав под названием " галинстан", в ко-тором концентрация компонент несколько отличается от приведенной выше за счет присутствия небольшого количества других элементов. Галинстан широко при-меняется в производстве безртутных термометров, в качестве рабочих электродов в вольтамперметрии, при производстве жидких металлических теплоносителей, а также в биотехнологиях [2,3]. Кроме того, сплав GaInSn перспективен для использования в нанокомпозитных системах, в частности в ферроколлоидных суспензи-ях. В связи с этим особенно актуальным становится изучение влияния наноструктурирования на вязкость и атомную диффузию в жидком сплаве GaInSn. Для нано-структурированных бинарных расплавов Ga-In и Ga-Sn и ряда жидких металлов методами ЯМР было выявлено значительное замедление атомного движения [4][5][6]. Для тройных сплавов этот вопрос ранее не исследовался.Целью настоящей работы является исследование ме-тодом ЯМР атомной подвижности в жидком сплаве GaInSn эвтектического состава, наноструктурированном за счет введения в три различные нанопористые сили-катные матрицы. Образцы и экспериментВ качестве нанопористых матриц использовались по-ристые стекла со средним размером пор d = 7 и 18 nm, а также опаловая матрица, представляющая собой плот-ную упаковку шаров из аморфного кремнезема диамет-ром 210 nm. Пористые стекла изготавливались в лабо-раторных условиях путем выщелачивания прошедших термообрабоку силикатных натриево-боратных стекол, в результате которого формировался каркас со связанной сеткой пор. Размер пор определялся методами азотной и ртутной порометрии. Диаметр шаров в опаловой мат-рице находился методом атомно-силовой микроскопии. Между шарами в опаловой матрице имеется регулярная сетка связанных пор двух типов, октаэдрических и тет-раэдрических. Размер пор задается геометрией плотной упаковки шаров. Для диаметра шаров 210 nm окта-351

Динамический сдвиг линий ЯМР в наноструктурированном расплаве Ga-In-Sn

“…Ускорение спиновой релаксации для расплава Ga−In−Sn в условиях ограниченной геометрии было впервые получено в работе [7] и трактовалось как следствие замедления атомного движения, приводящее к усилению роли квадрупольного механизма релаксации в соответствии с данными для других металлов и сплавов в нанопористых матрицах [6]. Неэкспоненциальная спиновая релаксация в образце на основе пористого стекла с размером пор 7 nm указывает, что в этом образце не выполняется приближение быстрого дви-жения [21].…”

“…Положение линий ЯМР для ядер 71 Ga и 69 Ga сов-падало для всех спектрометров в случае объемного образца, что согласуется с известными данными для жидких металлов [2,7]. Относительный сдвиг резонанс-ной частоты K s (сдвиг Найта) равнялся 4460 ppm.…”

“…Однако эта методика не применима для расплавов металлов в связи с коротким временем ядерной релаксации. Альтернативой является методика, в которой измеряется восстановление продольной намаг-ниченности ядер со спином I > 1/2 [6,7]. Она основана на выделении в общем процессе релаксации вклада квад-рупольного механизма, обусловленного взаимодействи-ем ядерного квадрупольного момента с динамическими градиентами электрических полей, возникающими при движении в жидкости.…”

“…Тройной сплав Ga−In−Sn изучен значительно слабее, чем бинарные сплавы металлов. ЯМР-исследований это-го сплава ранее не проводилось, за исключением изме-рений спиновой релаксации в работе [7].…”

“…Восстановление намагниченности после инвертирую-щего импульса в объемном расплаве для обоих изо-топов происходило по экспоненциальному закону со временами релаксации, которые не зависели от на-пряженности поля и равнялись T 69 1,bulk = 483 ± 5 µs и T 71 1,bulk = 437 ± 5 µs в соответствии с данными, приведен-ными в [7]. Спин-решеточная релаксация для расплава в пористом стекле с размером пор 25 nm также была экс-поненциальной и не зависела от магнитного поля.…”