NMR Research on nanostructured composites based on porous matrices

Abstract

В последнее время интерес к исследованию тройных сплавов значительно вырос. Он обусловлен практическим применением данных соединений в науке и технике. В связи с этим особенно актуальным становится изучение влияния наноструктурирования на вязкость и атомную диффузию в жидком сплаве Ga-In-Sn. Для бинарных сплавов Ga-In и Ga-Sn методами ЯМР было выявлено значительное замедление атомного движения. Для тройных сплавов данный вопрос ранее не исследовался. В данной работе исследовалась атомная подвижность методом ЯМР в жидком сплаве Ga-In-Sn эвтектического состава, введенном в три различные нанопористые матрицы: пористые стекла с размерами пор 7 нм и 14 нм, и опаловая матрица, представляющая собой плотную упаковку шаров кремнезема диаметром 210 нм (октаэдрические и тетраэдрические поры 87 нм и 47 нм соответственно). Измерения проводились при комнатной температуре в трех различных магнитных полях – 9,4 Тл, 11,75 Тл, 17,6 Тл. В ходе экспериментов установлено, что линии ЯМР исследованных изотопов для сплава, введенного в нанопористые матрицы, значительно уширялись по сравнению с линиями для объемного сплава. Восстановление продольной намагниченности для объемного образца было одноэкспоненциальным, как и для других объемных жидких металлов и сплавов. Одноэкспоненциальная и независящая от поля релаксация соответствует приближению быстрого движения. По результатам измерений выявлено, что приближение быстрого движения выполняется только для сплава Ga-In-Sn, введенного в стекло с порами 18 nm и в опале. Также было выявлено замедление атомной подвижности при уменьшении размеров пор.

Recently interest of the study of triple alloys increased significantly. It is caused by the practical application of these materials. In this regard, it becomes especially important to study the influence of nanostructures on viscosity and atomic diffusion into the liquid Ga-In-Sn alloy. It was found significant slowdown of atomic mobility for binary alloys Ga-In and Ga-Sn. This problem has not been investigated for triple alloys before. In this paper was studied atomic mobility in liquid triple alloy Ga-In-Sn. The eutectic composition alloy was embedded into three different nanoporous matrices: porous glasses with mean pore size d=7 nm and d=18 nm, and opal matrix, which is a close packing of amorphous silica spheres of 210 nm in diameter (octahedral pore size is 87 nm, tetrahedral pore size is 47 nm). NMR measurements were carried out at room temperature in three different magnetic fields: 9.4 T, 11.75 T and 17.6 T. The experiments established that the NMR lines for the alloy in matrices significantly broadened compared to those in bulk alloy. Recovery of the longitudinal magnetization for bulk sample was single-exponential, as well as for other liquid metals and alloys. Single-exponential and independent of the field relaxation corresponds to the approximation of rapid movement. The measurement results showed that the approach of rapid movement is valid only for Ga-In-Sn alloy introduced into glass with 18 nm pore size and into opal. The atomic mobility slowdown was revealed in pore size decreasing.