Регистрация / Вход
Прислать материал

Развитие теории образования и разработка эффективного метода синтеза эндоэдральных металлофуллеренов, исследование их свойств и возможностей применения

Докладчик: Чурилов Григорий Николаевич

Должность: зав. лабораторией, проф., д.т.н.

Цель проекта:
1. Решение проблемы создания высокоэффективного синтеза эндоэдральных металлофуллеренов (ЭМФ) методом управляемого плазмо-химического синтеза и исследование их оптических, электронных и магнитных свойств. 2. На основе экспериментальных и теоретических исследований будет создана эволюционная модель образования ЭМФ с явным учетом параметров плазмы и кулоновского взаимодействия зарядов кластеров в плазме и с учетом их роста/уменьшения по механизму “shrinking hot giant”. На основе данной модели будет разработана эффективная методика для проведения управляемого синтеза ЭМФ и будет разработана наиболее оптимальная технология получения и выделения соответствующих ЭМФ. Будут получены ЭМФ различных классов и исследованы их оптические, электронные, магнитные и сегнетоэлектрические свойства. Получаемые по разработанной технологии ЭМФ помогут решить задачи создания новых элементов в области медицины, (опто)электроники и спинтроники.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Создание модели образования ЭМФ в плазме с явным учетом ее параметров, кулоновского взаимодействия кластеров и с учетом их роста/уменьшения в плазме на основе решения временных уравнений для изменения концентраций различных кластеров. Для этого будет
проведен аналитический обзор уже существующих методов создания эндоэдральных металлофуллеренов и патентный поиск существующих методов получения ЭМФ. Также будут проведены теоретические исследования методом DFTB молекулярной динамики образования различных молекул ЭМФ с целью определения влияния параметров плазмы и природы металла на их экспериментальный выход.
Экспериментальными методами будет определено влияние параметров плазма-химического синтеза: температуры, электронной концентрации, давления буферного газа и тока разряда на выход ЭМФ и разработана технология оптимального синтеза ЭМФ различных классов.
Будут синтезированы ЭМФ и теоретическими и экспериментальными методами проведены исследования оптических, электронных, магнитных и сегнетоэлектрических свойств полученных ЭМФ.

2.1 Проведение патентных исследований о методах получения ЭМФ в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
2.2. Теоретически будут найдены оптимальные условия получения эндоэдральных фуллеренов различных классов: одноатомных:M@C82(M=Sc, Y, La, Gd); Ca@Cn(n=72,74,82,84,94); двухатомных: Ce2@C80, Er2@C80, Sc2@C84; карбидных ЭМФ Ti2C2@C78, Y2С2@С82 и нитридных ЭМФ: Sc3N@C2n(n=42-49) для различных параметров плазмы (температура, электронная концентрация и величина их градиентов) и эти условия будут проверены экспериментально.
2.3 На основе проведенных теоретических исследований и эволюционной модели образования ЭМФ в плазме будет разработана и зарегистрирована в Роспатент компъютерная программа, позволяющая с полуколичественной точностью оценивать выход различных ЭМФ при различных параметрах плазмы.
2.3 Будут представлены значения параметров плазмы и их градиенты, соответствующие наиболее высокому содержанию эндофуллеренов каждого вида. Содержание эндофуллеренов в синтезируемой фуллереновой смеси должно составлять не менее 2 вес.%.
2.4 Будут представлены теоретические и экспериментальные результаты исследования оптических, электронных, магнитных и сегнетоэлектрических свойств полученных и выделенных ЭМФ в виде тонких пленок и порошков.

3. Проведение, с участием наших коллег из Японии (группа проф. Стефана Ирле, университет г. Нагоя) теоретических исследований методом DFTB молекулярной динамики образования различных молекул фуллеренов и ЭМФ являются пионерскими. Наши проведенные ранее теоретические работы, посвященные созданию модели образования фуллеренов в плазме на основе решения эволюционных уравнений для концентраций различных фуллеренов также являются пионерскими и будут служить основой написания алгоритма расчета вероятности образования ЭМФ при различных параметрах плазмы.
Впервые экспериментально нами было показано, что при увеличении давления гелия в камере при высокочастотном дуговом синтезе содержание высших и фуллеренов и ЭМФ в экстрагированной фуллереновой смеси существенно увеличивается в связи с увеличением градиента температуры в плазме. На основе этих результатов будет изготовлена установка, позволяющая управлять параметрами синтеза ЭМФ путем изменения тока и частоты дуги, а также давления гелия в камере.

4. Наши работы по оптимизации получения ЭМФ сопоставляются с работами одной из главной ведущей лаборатории мира в данной области - Electrochemistry and Conducting Polymers Dept, Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden, Germany. Члены данной лаборатории, в лице ее руководителя Алексея А. Попова заинтересованы в нашем сотрудничестве, поэтому в рамках проекта подразумевается широкое взаимодействие с данной группой путем совместных исследований (как теоретических, так и практических) и взаимных посещений, начиная с декабря этого года.
Также наши работы согласуются с теоретическими работами группы проф. Стефана Ирле, университет г. Нагоя, Япония, впервые теоретически продемонстрировавшими образование фуллеренов в плазме и активно участвовавшими в развитии теории образовании молекул фуллеренов на основе механизма “shrink-wrap”.

5.1. На основе метода DFTB будут проведены молекулярно-динамические расчеты образования ЭМФ. В рамках методов Хартри-Фока, полуэмпирических и DFT-GGA, с помощью лицензионной программы VASP 5.2 и программы GAMESS будут вычислены энергии связи, электронная структура, потенциалы ионизации и сродство к электрону для большого набора углеродных и металлоуглеродных кластеров. На основе вычисленных данных будет создана модель для расчета скоростей образования ЭМФ и их количественного выхода в зависимости от параметров плазмы (температуры, электронной концентрации и их градиентов, давления буферного газа) с учетом кулоновского взаимодействия заряженных кластеров и “shrinking hot giant” механизма трансформации углеродного каркаса. На основе данной модели будет создана компъютерная программа и зарегистрирована в Роспатент.
Данными теоретическими методами будут проведены исследования оптических, электронных, магнитных и сегнетоэлектрических свойств ЭМФ в виде тонких пленок и порошков.
5.2 На разработанной и изготовленной установке с использованием дуги килогерцового диапазона и варьируемого давления буферного газа (гелия) в камере в диапазоне от 0.01 до 6 атм. будут проведены экспериментальные исследования влияния параметров плазма-химического синтеза: температуры, электронной концентрации и их градиентов, зависящих от давления буферного газа в камере, частоты и тока разряда и химического состава электродов на содержание в углеродном конденсате ЭМФ.
На основе этих данных будет создана и описана оптимальная технология получения различных ЭМФ методом управляемого плазмо-химического синтеза.
С помощью купленного оборудования (хроматографические колонки для выделения ЭМФ и др.) и кооперации с нашими зарубежными коллегами будет создана методика выделения различных ЭМФ методом HPLC (высокопроизводительной жидкостной хроматографии).
С помощью имеющегося оборудования будут проведены экспериментальные исследования электронных, магнитных, сегнетоэлектрических и оптических свойств твердой фазы эндоэдральных металлофуллеренов.
В рамках проекта планируются к получению следующие РИД:
1. Патент «Способ получения фуллереновой смеси, содержащей эндоэдральные метал-лофуллерены, в ВЧ дуге с НЧ модуляцией».
2. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ для расчета вы-хода и вероятности образования различных классов ЭМФ (одноатомные: M@C82(M=Sc, Y, La, Gd); Ca@Cn(n=72,74,82,84,94); двухатомные: Ce2@C80, Er2@C80, Sc2@C84; карбид-ные Ti2C2@C78, Y2С2@С82, нитридные: Sc3N @C2n(n=42-49)) при различных параметрах плазмы.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разработанный теоретически и экспериментально метод высокоэффективного синтеза ЭМФ, который будет реализован в разработанной и изготовленной установке с управляемыми параметрами плазмы позволит получать ЭМФ в достаточно больших количествах для проведения как фундаментальных, так и прикладных исследований. Полученные результаты будут использованы для высокоэффективного синтеза эндоэдральных металлофуллеренов различных классов – одноатомных, двухатомных, карбидных и нитридных.
Благодаря уникальным свойствам ЭМФ, они будут применены в оптических приборах, в электронике и спинтронике, а также в медицине и др.. В частности, ввиду существенных дипольных моментов и стабильности молекул многих ЭМФ они могут быть использованы в элементах сегнетоэлектрической памяти.
ЭМФ могут быть использованы в медицине при лечении онкозаболеваний ввиду их хороших свойств взаимодействия с липидной оболочкой раковых клеток. ЭМФ с атомами некоторых редкоземельных металлов внутри могут быть использованы в качестве хорошего контрастирующего вещества в магнито-резонасной томографии. ЭМФ, также как и молекулы многих фуллеренов, обладают хорошими антиоксидантными свойствами и поэтому могут быть использованы в терапии.
Виду интересных оптических свойств многих ЭМФ, обладающих нелинейной прозрачностью, они могут быть использованы в качестве оптических ограничителей сигнала вместо стандартных фуллеренов. Ввиду наличия магнитных моментов атомов многих металлов внутри фуллереновой сферы и слабых эффектов спин-решеточной релаксации в этих углеродных материалах, пленки из таких ЭМФ могут быть использованы в качестве перспективных элементов спинтроники.
2. практическое внедрение полученных результатов планируется провести после получения даты приоритета на разрабатываемый патент на способ синтеза ЭМФ.
3.Полученные результаты должны повлиять на разработку новых технических решений в области медицины, оптоэлектроники и спинтроники. Они также должны способствовать прогрессу в области развития нанотехнологии и, конкретно, в области управляемого плазма-химического синтеза наноструктур.

Текущие результаты проекта:
1. В рамках проекта уже проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к методам получения ЭМФ различных видов – одноатомных, двухатомных, карбидных и нитридных.
2. Уже проведены патентные исследования методов получения ЭМФ различных видов.
3. Проводится обоснование выбора направления исследований и методов получения ЭМФ различных классов.
4. С 20.11.2014 г. по 3.12.2014 запланировано проведение совместной работы в соответствии с визитом в группу проф. Стефана Ирле, университет г. Нагоя, Япония. Будут проведены теоретические исследования методом DFTB молекулярной динамики образования различных молекул фуллеренов и ЭМФ в плазме, а также работа по созданию эволюционной модели образования ЭМФ в плазме на основе решения эволюционных уравнений для концентраций различных кластеров.
5. С 06.12.2014 г. по 12.12.2014 в соответствии с визитом в группу проф. Алексея А. Попова (Институт твердого тела, Дрезден, Германия) запланировано проведение совместных экспериментальных работ по исследованию и выделению ЭМФ из полученных нами образцов в установке с дугой килогерцового диапазона частот при давлении гелия (0.1-0.38 МПа).