В ИРНИТУ разработан новый способ синтеза нанотрубок и фуллеренов в плазме дугового разряда

27 января 2016 года//Наука

Экспериментальную установку синтеза углеродных наноматериалов разработал доктор технических наук, доцент кафедры технологии машиностроения ИРНИТУ Андрей Балановский.

Актуальность разработки связана с тем, что современная технология направлена на миниатюризацию, поиск таких материалов, которые позволили бы совершить скачок от микроустройств к наноустройствам. С этой точки зрения очень перспективны углеродные фуллерены и нанотрубки - полые углеродные кластерные структуры, обладающие чрезвычайной прочностью. Удивительная форма углерода – фуллерен (C60) была обнаружена в восьмидесятые годы прошлого века. Молекула этого материала состоит из 60 атомов углерода, образующих структуру, близкую к сферической. В дальнейшем ученые выяснили, что графитовый слой может образовать цилиндрические (нанотрубки, нановолокна) и сферические (фуллерены, онионы) структуры. Отметим, что фуллерены впервые были синтезированы в 1985 году, углеродные нанотрубки – в 1991 году.

По информации А. Балановского, в ИРНИТУ проводятся поисковые работы по использованию углеродных наноматериалов в основном приобретенных для различных технологических процессов, или полученных путем переработки отходов металлургического производства. Своей установки или способа синтеза углеродных наноматериалов в университете ранее не было.

Сегодня ученые получают одностенные, двустенные нанотрубки, трубки с открытыми концами и т.д. В настоящее время получены многостенные углеродные нанотрубки разных типов: «столбик монет», «рыбья кость», «стопка чашек», «цилиндрическая», «бамбукообразная», нановолокно со сферическими секциями, нановолокно с полиэдрическими секциями. Все известные методы получения углеродных наноструктур основаны на использовании энергии плазмы, дугового разряда, электронного облучения, лазерной абляции, имплантации и CVD и базируются на энергетическом разложении газов или твердых веществ и переводе их в паровую фазу. Большая часть этих методов требует сложных вакуумных устройств. Созданию массового производства препятствует как дороговизна процессов, так и их относительно низкая производительность. Поэтому в настоящее время идет поиск высокопроизводительных методов получения наноструктурированных углеродных материалов.

«Наша инновация заключается в том, что для синтеза мы используем плазму, образованную из углеродосодержащих газов, а в качестве устройства генерации плазмы применяем плазмотрон. При этом в нашем способе в качестве оригинального решения нет графитовых электродов, основным источником углерода является углеродосодержащий газ.

Анализ электронно-микроскопических (ЭМ) изображений синтезированного конечного продукта с использованием просвечивающего микроскопа высокого разрешения показал, что образцы в основном состоят из многостенных и одностенных нанотрубок, а также замкнутых объемных структур, идентифицированых как углеродные онионы (луковицы)» - рассказал А. Балановский.

По оценкам ученого, углеродных онионных структур существенно больше, чем фрагментов графита и аморфного углеродного материала, также наблюдавшихся в образцах: «Образование таких углеродных онионных структур объясняется тем, что их поверхностная энергия значительно меньше поверхностной энергии графита и алмаза такого же размера. Наблюдавшиеся нами структуры не всегда напоминали истинную структуру ониона с правильными окружностями на ЭМ-изображении. Такие частицы, скорее, следует называть онионоподобными структурами. Анализ источников научной информации показывает, что данные углеродные онионные структуры получены в России впервые, т.к. большинство исследователей сосредоточились на изучении нанотрубок и фуллеренов».

В настоящее время известно, что углеродные онионы (луковицы) могут быть получены в результате превращений, происходящих в углеродных структурах. Так, в литературе приводятся различные способы формирования онионов: вакуумное напыление, отжиг сажи, отжиг наноалмазов, дуговой разряд в воду, дуговой разряд, облучение сажи электронами, имплантация ионов углерода в металлическую матрицу и взрыв.

Структура онионов уникальна. Она определяет перспективы их применения. Речь идет о возможности использования онионов в шарикоподшипниках и в других узлах трения, наноэлектромагнитных приборах, в качестве емкостей для хранения газа, а также в биотехнологии.

«Предложенный нами синтез углеродных наноматериалов важен с образовательной точки зрения. Разработанный способ синтеза наноструктур легко осуществить практически везде - на заводе и в школе, в квартире и в поле, в гараже и в супермаркете. Единственное условие - возможность подключения к электрической сети.

Разработанный в ИРНИТУ плазмотрон весит всего 800 г. Экспериментировать с получением наноструктур в плазме можно в школе на уроках физики и химии, т.к. время синтеза составляет всего 1-3минуты. Оборудование для синтеза мобильное и может легко транспортироваться силами самих школьников в любое помещение. В дальнейшем полученный школьниками нанопродукт можно исследовать с помощью просвечивающих и растровых электронных микроскопов, которыми располагают многие российские вузы. По договору с администрацией университета школьники могут с определенной периодичностью самостоятельно исследовать свои образцы наноструктур. Таким образом, большая наука из лабораторий университета реально приходит в среднюю школу и формирует исследовательские способности и навыки будущих специалистов», - подчеркнул А. Балановский.

Использование фотографий, приведенных в тексте, только с разрешения А. Балановского (тел. 8914 9016082).

СПРАВКА:
Онионоподобные (луковичные) структуры образуют класс углеродных кластеров, представляющих собой многослойные сферические или сфероидальные структуры, образованные либо слоями графена, либо имеющие структуру, подобную фуллеренам. Открытие углеродных луковиц, представляющих собой сферические углеродные частицы, состоящие из графитообразных оболочек - фуллеренов, связано с именем Угарте (D.Ugarte). В 1992 году, проводя эксперименты по облучению наночастиц, заполненных золотом и оксидами лантанов, этот ученый обнаружил удивительные частицы, состоящие из концентрических графитовых оболочек совершенной формы. В своей работе он первым использовал термин «углеродная луковица» для описания открытых частиц. Угарте осуществил превращение многогранной структуры в квазисферическую фуллереновую структуру размером 47 nm. Практически такая же структура была получена и из чистых образцов катодной сажи после электродуговой обработки: под влиянием облучения нанотрубки и наночастицы превратились в совершенные сферы, содержащие до 70 концентрических графеновых оболочек.















Вернуться