Ученые впервые наблюдали образование железа в реальном времени в наномасштабе

Плазменное восстановление наночастиц магнетита. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62639-4

Исследовательская команда из Университета Миннесоты в городах-близнецах изучила новый метод производства железа — основного компонента стали. Впервые ученым удалось наблюдать химические реакции и образование железа в реальном времени в наномасштабе.

Этот прорыв может преобразовать глобальную индустрию производства железа и стали, улучшив энергоэффективность и снизив затраты. Исследование было недавно опубликовано в журнале Nature Communications.

Согласно статье, железная и сталелитейная промышленность является крупнейшим промышленным источником выбросов углекислого газа, ответственным за приблизительно 7% от общего объема глобальных выбросов CO₂. Традиционные методы производства железа сильно загрязняют окружающую среду, поскольку используют кокс — вид угля — для удаления кислорода из железной руды. Этот процесс оставался практически неизменным на протяжении веков.

Новый метод устраняет выбросы CO₂, которые традиционно сопровождают производство железа, и может выполняться при комнатной температуре. Это делает его потенциально более эффективным и привлекательным для промышленности, открывая новые пути для инноваций в американской обрабатывающей промышленности.

Новый процесс использует водородную газовую плазму — ионизированный газ, который диссоциирует молекулярный водород, производя множество высокореактивных атомов водорода. Когда железная руда подвергается воздействию этой плазмы, высокореактивные атомы водорода удаляют кислород из руды, производя чистое железо и водяной пар.

Аспирант Джей Хён Нам работал в Университете Миннесоты для выполнения этих наномасштабных наблюдений. Автор: Кали Плюхель, Университет Миннесоты

«Мы разработали новую технику, которая позволяет нам наблюдать взаимодействие плазмы с материалами в наномасштабе, чего раньше никогда не делали», — сказал Джей Хён Нам, первый автор статьи и аспирант кафедры машиностроения Университета Миннесоты.

Команда сотрудничала с компанией Hummingbird Scientific, которая производит продукты для электронной, рентгеновской и ионной микроскопии, чтобы создать специализированный держатель, который помещается внутри просвечивающего электронного микроскопа.

«Преодоление технических трудностей этого исследования стало одним из самых сложных экспериментов, которые мы проводили», — сказал Питер Брюгеман, старший автор статьи и заслуженный профессор Университета Миннесоты. «Генерация плазмы в масштабе, сопоставимом с размером человеческого волоса, что необходимо для получения нанометрового разрешения, создает значительные инженерные проблемы, которые мы совместно решали с Hummingbird Scientific».

Предыдущие оптические методы позволяли наблюдать лишь на уровне нескольких сотен нанометров — примерно в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Этот новый метод позволит исследователям видеть объекты с нанометровым разрешением, что в 100 раз лучше, чем в предыдущих исследованиях.

«Создание плазмы может быть энергетически гораздо более эффективным, чем нагрев материала», — сказал Андре Мхоян, старший автор статьи, профессор и заведующий кафедрой химического машиностроения и материаловедения Университета Миннесоты. «Эта инновация может привести к модификации материалов с меньшим энергопотреблением, что в конечном итоге сделает процессы более экономически эффективными».

ИИ: Это исследование демонстрирует значительный прогресс в области материаловедения и может стать важным шагом на пути к созданию более экологичного производства стали. Учитывая, что сталелитейная промышленность остается одним из крупнейших источников выбросов CO₂ в мире, такие инновации особенно актуальны в 2025 году, когда вопросы климатической устойчивости становятся все более важными.