стр. 36-40
реклама
Белорусские ученые предлагают Рисунок 1.10 - Острия зондов АСМ, модифицированные углеродными наноструктурами Рисунок 1.9 - Силовая спектроскопия УНТ. Результаты моделирования Впервые выполнен эксперимент по испытанию на изгиб УНТ. Нанотрубкой, закрепленной на острие зонда атомно-силового микроскопа (АСМ) (рис. 1.11), выполнялось индентирование натурального алмаза при записи зависимости нагрузки от сближения нанотрубки и алмаза. Впервые выполнена оценка упругих свойств молекулы ДНК, а также молекула ДНК разрезана АСМ-зондом (рис. 1.12). Разность между модулями упругости модифицированной кремниевой подложки и молекулы ДНК на данной подложке оценивается в 5 ГПа. УНТ на острие АСМзонда для индентирования в поверхность алмаза Рисунок 1.11 – Многостенная углеродная нанотрубка, закрепленная на острие атомно-силового микроскопа Рисунок 1.12 – Трехмерные АСМ-изображения молекулы ДНК: а) молекула ДНК до воздействия; б) молекула ДНК, разрезанная АСМ-зондом 36 Белорусские ученые предлагают P, нН 2500 2000 1 2 1500 3 4 5 1000 6 7 Рисунок 1.13 – Экспериментальные зависимости нагрузка-смещение при индентировании поверхности природного алмаза нанотрубкой (кривые 1 – 4). Кривые 5–7 – УНТ отломана от зонда; происходит деформирование АСМ-зонда при индентировании алмаза 500 0 0 500 1000 1500 2000 z, нм Впервые разработаны и апробированы методики получения тонкопленочного биополимера на основе ДНК. Предложено два метода. Первый заключается в последовательном нанесении полимера и ДНК на подложку. Второй метод предполагает получение однородного раствора, состоящего из полимера и ДНК, и последующее нанесение раствора на подложку. Таким образом, получаем принципиально разные образцы: в первом случае нити ДНК находятся на поверхности полимера, а во втором случае - они располагаются внутри слоя полимера. Промоделировано контактное взаимодействие инородного тела с клеткой крови, позволяющее выбрать необходимые геометрические размеры инородного тела для проникновения или разрушения клеток крови или других биологических клеток. Впервые проведено экспериментальное исследование воздействие гидродинамической кавитации на углеродные наноматериалы (УНМ) с целью диспергирования и сегрегирования в жидких средах в условиях барического воздействия. Получены новые результаты по сегрегированию и дисперсии УНМ. Модернизирован экспериментальный стенд по исследованию гидродинамической кавитационной обработке УНМ, что позволило расширить режимы обработки по давлению до 20 атмосфер. Впервые проведено исследование динамики температурных и энергетических полей в лабораторном реакторе по диспергированию УНМ. На основе анализа полученных энергетических спектров ультразвуковой и гидродинамической кавитации определены физические параметры и технические условия к реактору для получения оптимального эрозийного воздействия на конкретные конгломераты УНМ. С учетом полученных результатов изготовлен экспериментальный стенд, сочетающий ультразвуковую и гидродинамическую кавитацию. Проведены эксперименты по диспергированию и гомогенизации УНМ с различными композитами. Разработаны рекомендации по обработке УНМ для получения материала с заданной дисперсностью. Новые эффективные электрокатализаторы окисления водорода и метанола на основе УНМ, полученные CVD методом и электродные материалы (научный руководитель к.т.н. Филатов С.А., ИТМО им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, «Нанотех 1.06») Допированные металлами углеродные материалы на основе модифицированных УНМ, полученных по разработанной CVD технологии, являются эффективными электрокатализаторами окисления водорода и метанола, что позволяет использовать их при производстве низкотемпературных топливных элементов. Допирование осуществляется за счет введения паров металлического катализатора непосредственно в установки CVD роста УНМ. Разработанная CVD технология получения электродных материалов включает рост допированных УНМ непосредственно на материале электрода – нержавеющей стали, титане, кремнии или на поверхности газодиффузионного слоя – углеродной бумаге. Экспериментально подтверждена электрокаталитическая активность УНТ, допированных Ni, Pd, Pt и Pt/Ru. Наиболее активными оказались 37 Белорусские ученые предлагают углеродные композиты, допированные Pt/Ru, что позволяет эффективно использовать их в топливных элементах с прямым преобразованием метанола. Углеродные композиты с катализатором типа «металл-на-углероде» с развитой поверхностью, позволяют считать их наиболее перспективным материалом для газораспределительных слоев и электродов низкотемпературных топливных элементов с протоннообменными мембранами. Применение таких катализаторов обеспечивает плотность токов до 1 А/см2 и высокую коррозионную стойкость электродов. Назначение электродов: для использования в перспективных образцах топливных элементов типа водород-кислород, водород-воздух, а также топливных элементов с прямым окислением метанола. Технические характеристики: Рисунок 1.14 – Электронная микрофотография образца электрокатализатора на основе УНМ, полученных CVD методом Рисунок 1.15 – Электроды миниатюрного низкотемпературного топливного элемента Носитель – одностенные (диаметром 0,4-0,6 нм) и многостенные УНТ (диаметром 2-8 нм) длиной до 400 нм. Температура поверхности роста 550-650 ºС. Давление 1-10 торр. Размер частиц катализатора на углеродном носителе 2-6 нм. Площадь поверхности катализатора – до 100 см2 (с возможностью увеличения до 900 см2). Область применения: микроэлектроника, энергетика, химическая промышленность, космическая техника. Преимущества по сравнению с аналогами: повышает эффективность окисления водорода и метанола при меньшем удельном расходе металлов платиновой группы. Требования безопасности и охраны окружающей среды: дополнительных мер безопасности не требуется. Разработан метод и CVD технология, позволяющие контролируемо формировать наноразмерные алмазоподобные покрытия на металлических, кварцевых и керамических поверхностях с произвольной геометрией. Контроль за составом формируемых покрытий осуществляется по Романовским спектрам, и может быть осуществлен непосредственно в процессе роста. Разработанную технологию предполагается использовать для получения новых типов покрытий для электролизеров и генераторов водорода, в т.ч. на предприятиях БелЭнерго. Проведен цикл исследований по разработке методов функционализации УНМ. Разработан стенд CVD роста УНМ на подложке 200х300мм. Созданы новые методики измерений и характеризации УНМ. Разработана методика промышленной поверхностной функционализации УНТ нанокластерами металлов. Систематически исследованы методами термического и спектрального анализа и электронной микроскопии высокого разрешения новые УНМ декорированные кластерами металлов. Стенд для прямой оценки свободной энергии поверхности углеродных материалов и композитов на их основе с возможностью верификации по данным электронной микроскопии высокого разрешения (научный руководитель к.т.н. Филатов С.А., ИТМО им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, «Нанотех 1.06») Экспериментальный стенд применяется для прямой оценки свободной энергии поверхности углеродных материалов и композитов на их основе, с возможностью верификации по данным электронной микроскопии высокого разрешения. В процессе измерений изображение капли на исследуемой поверхности регистрируется специализированной цифровой камерой на фоне бестеневого источника света (монохроматического или белого). Разработано специализированное программное обеспечение, которое обеспечивает воспроизводимое проведение измерений. Стенд позволяет повысить достоверность и воспроизводимость определения величины свободной энергии поверхности (поверхностного натяжения жидкости) на основании измерения краевого 38 Белорусские ученые предлагают угла смачивания и позволяет определять параметры исследуемого образца или исследуемой жидкости при использовании эталонных образцов с известными свойствами поверхности. Назначение: оценка свободной энергии углеродных материалов и композитов на их основе. Конструктивные особенности 1. Цифровая система регистрации изображения образца. 2. Система юстировки предметного столика для работы с образцами различных размеров. 3. Автоматическое определение контактного угла. 4. Программное обеспечение не требует значительных вычислительных мощностей. Рисунок 1.16 – Экспериментальный стенд Рисунок 1.17 – Функциональная схема стенда Рисунок 1.18 – Рабочее окно программы регистрации Технические параметры Диапазон измерения контактных углов смачивания поверхности, 0 0 180 Диапазон температур ºС 20 30 Размеры образца, мм 2 15 Высота образца, мм 18 Предел допускаемой основной погрешности измерения, % не более 10 Потребляемая мощность, Вт не более 400 Возможно исследование анизотропных поверхностей. Особенность и новизна состоит в применении цифровой системы регистрации изображения образца с автоматическим определением контактного угла при помощи оригинального программного обеспечения, что позволяет проводить экспресс-оценку свободной энергии поверхности широкого спектра материалов. Высокая точность реализуется за счет возможности проведения серии измерений с минимальными затратами времени благодаря автоматизированной обработке данных, что открывает перспективу внедрения прибора подобного типа в производственные технологические линии. Область применения: научные исследования свойств углеродных и неуглеродных материалов и композитов, контроль поверхностных характеристик образцов при производстве стекол, полимеров, текстильной продукции. Требования безопасности и охраны окружающей среды: дополнительных мер безопасности не требуется. Низкоразмерные элементы на основе углеродных структур. Парамагнетизм наноструктурированных углеродных материалов, содержащих водород и кислород (научные руководители член-корр. Комаров Ф.Ф., д.ф.-м.н. Поклонский Н.А., НИИ ПФП им. А.Н. Севченко БГУ, БГУ, «Нанотех 1.08») Исследовалась электропроводность ансамблей двумерных углеродных структур. Разработана перколяционная модель электропроводности двумерных гетерогенных слоев на поверхности имплантированного ионами алмаза. Модель позволяет рассчитывать электрическую проводимость G двумерной двухфазной неупорядоченной проводящей системы на постоянном токе с учетом конечности ее размеров. Разработанная модель электропроводности двумерного ансамбля углеродных наноструктур и компьютерная программа, написанная на ее основе, может быть использована для моделирования свойств прецизионных резисторов на основе углеродсодержащих композиционных материалов. Разработаны и исследованы процессы формирования массивов УНТ в виде бумаги из УНТ: синтезированы массивы УНТ в виде бумаги из УНТ, проведена характеризация структурных и размерных свойств бумаги из УНТ, измерены электрические характеристики бумаги на основе УНТ двух- 39 Белорусские ученые предлагают зондовым и четырехзондовым методами. Для получения бумаги из массива УНТ использовались очищенные одностенонные УНТ, выращенные методом газофазного каталитического роста (HiPCO). Исследования массивов УНТ методом ПЭМ (просвечивающая электронная микроскопия) выполнялись на электронном просвечивающем микроскопе Hitachi-H800 с действующим ускоряющим напряжением до 200 кВ. При исследованиях использовались как режим светлого поля, так и многопучковый режим формирования изображения (ПЭМ высокого разрешения). Рисунок 1.19 – Светлопольные ПЭМ-изображения от образцов УНТ, полученных методом газо-фазного каталитического роста На рис. 1.20 представлены снимки двух противоположных поверхностей бумаги из УНТ, полученных методом газово-фазного каталитического роста. Отличия двух поверхностей бумаги обусловлены методом ее изготовления. В процессе осаждения материала УНТ на фильтры нижняя сторона бумаги имела более гладкую однородную поверхность. Рисунок 1.20 – РЭМ-изображения поверхности образцов бумаги из УНТ Выводы по полученным результатам измерений: 1) перенос электронов в бумаге определяется только металлическими УНТ; 2) между некоторыми металлическими УНТ присутствует не омический контакт, обусловленный, возможно, различными загрязнениями (в частности, наблюдаемыми методом ПЭМ углеродными нанокластерами). С использованием методов сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии разработаны способы комплексной характеризации свойств одно- и многостенных УНТ с длиной 1-100 мкм и диаметром 5-100 нм. Показано, что разрешение данных методов позволяет уверенно фиксировать отдельные УНТ (с минимальным диаметром в несколько нм), которые являются основным (и минимальным по размеру) элементом приборных структур на основе УНТ. Выведены соотношения для расчета зонной структуры углеродных нанотрубок “armchair” и “zigzag” типов. Разработаны модели рассеяния носителей заряда в УНТ “armchair” типа. Выведено уравнение Больцмана для УНТ “armchair” типа. Проведено моделирование охлаждения электронного газа в УНТ “armchair” типа посредством прямого численного решения уравнение Больцмана и моделирования методом Монте-Карло. Получено хорошее согласие результатов расчета и данных эксперимента. 40
