Делаем нанотехнологии экологическими

Ученый ТПУ разрабатывает экологические и энергосберегающие методы получения нанопорошков

Недавно Российский научный фонд (РНФ) поддержал проект научного сотрудника Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ, кандидата технических наук Галины Холодной. Ученый разрабатывает энергосберегающие, экологически безопасные методы получения нанопорошков, которые можно будет использовать в биомедицине, оптоэлектронике, автомобильной промышленности и других областях науки. Проект будет реализовываться в течение трех лет — в 2018–2020 годах.

Разработка энергосберегающих, экологически безопасных методов получения нанопорошков различных веществ — актуальный вопрос современной науки.

«Сегодня в мире существует необходимость создания уникальных нанокомпозитных материалов, которые в перспективе можно будет применять в самых разных областях, например в биомедицине — в качестве компонента контраста в магниторезонансной томографии или для термотерапии рака, а также оптоэлектронике или автомобильной промышленности — в качестве компонентов красок, клея, герметиков, лаков, придавая им полезные антибактериальные свойства за счет высокой фотокаталитической активности. Примерами таких материалов могут служить нанокомпозиты со структурой «металлическое ядро — оболочка». Объединяя привлекательные функциональные возможности этих компонентов, материалы показывают совершенно новые и улучшенные свойства, благодаря которым их можно использовать так широко», — рассказывает Галина Холодная.

Кроме того, ученых интересует фундаментальная сторона — понимание процессов, которые протекают при получении и применении наночастиц различными методами. Однако физико-химические свойства нанопорошков и, как следствие, область их применения во многом зависят от способа их получения. Поэтому в науке происходит постоянное совершенствование известных способов получения наноматериалов и композитов на их основе. Например, золь-гель метод, метод электрического взрыва проводников, получение наноразмерных веществ методами термического разложения и восстановления, плазмохимические методы синтеза.

Суть проекта

Проект направлен на разработку новых композитов со структурой «металлическое ядро — оболочка» — оксид кремния, оксид титана, углеродные структуры. Для реализации синтеза металлических ядер нанокомпозита будет применен электроискровой метод. В основе такого метода получения наночастиц лежит использование энергии электрического искрового разряда, который формируется между электродом и мишенью.

«При подаче импульса напряжения между электродом и поверхностью мишени формируется плазменный канал искрового пробоя. Ток, протекающий по каналу, нагревает его, давление в канале повышается, а сам канал расширяется. Так, на мишени образуется быстрый локальный перегрев поверхности, приводящий к сублимации материала, — объясняет ученый. — Под воздействием газодинамических сил материал мишени выносится из области разряда, где конденсируется и образуется нанопорошок, а благодаря особой конструкции электродной системы он оседает в специальной ловушке. В результате нанопорошок получит состав, идентичный составу мишени либо оксида соответствующего материала электрода».

По словам Галины, энергия в плазменном канале достаточна для протекания плазмохимического процесса, в результате которого возможно получение наноматериалов с образованием твердого раствора.

«Дополнительным регулятором свойств синтезируемых наночастиц может служить состав газовой фазы, применяемой в процессе получения, — количество энергии, вводимой в область синтеза, позволяет прогнозировать получение наночастиц, содержащих продукты плазмохимических реакций материала электродов и газовой фазы».

Также будет реализован импульсный плазмохимический метод получения оболочки композитов. Такой метод относится к разряду универсальных, его основные преимущества — низкие удельные энергозатраты, возможность проведения реакций в одну стадию. Всего в рамках проекта будет исследовано влияние исходных концентраций прекурсоров на физико-химические, в том числе электрические свойства синтезируемых нанокомпозитов, возможность варьирования свойств нанокомпозита условиями синтеза (температура, давление, энерговклад), влияние особенностей конструкций плазмохимических реакторов на физико-химические свойства нанокомпозита, а также оптические, электрические и магнитные свойства.

Команда и локации исследований

Команда исполнителей проекта состоит из пяти кандидатов наук Томского политеха — это руководитель проекта, научный сотрудник Галина Холодная, старшие научные сотрудники Валерий Конусов, Роман Сазонов, Денис Пономарев, Михаил Журавлев, а также младший сотрудник Александр Нашилевский, который защищает кандидатскую уже в этом году. Также к исследованиям будут привлечены студенты отделения материаловедения. Срок реализации проекта — три года.

«На сегодняшний день мы с командой уже показали принципиальную возможность получения сложных композитов со структурой «металлическое ядро — оболочка» импульсным плазмохимическим методом. Нами производится модернизация и подготовка установки для проведения исследований по проекту. Начаты патентные исследования по теме «Синтез нанокомпозитов Fe-SiO2, FexOy-SiO2, Fe-TiO2, FexOy-TiO2, Fe-SixCyOz, FexOy-SixCyOz, Zn-SiO2, ZnO-SiO2, Zn-TiO2, ZnO-TiO2, Cu-SiO2, Cu2O-SiO2, Cu-TiO2, Cu2O-TiO2», ведется подбор рецептуры и отработка комбинированного метода получения композитных наноматериалов электроискровым и импульсным плазмохимическими методами», — отмечает Галина Холодная.

Основные исследования будут проводиться на импульсном электронном ускорителе ТЭУ-500 в научно-производственной лаборатории ТПУ «Импульсно-пучковые, электроразрядные и плазменные технологии».

Для исследования физико-химических свойств композитов будет использовано оборудование Научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» (просвечивающая электронная микроскопия, методика рентгенофазового анализа). В центре коллективного пользования «Физико-химические методы анализа» будет исследован их химический состав. В центральной научно-исследовательской лаборатории СибГМУ будут проведены исследования биосовместимости наноматериалов и оценка цитотоксичности.

Подготовила Алена Некрасова