Разработка фундаментальных основ и технологических принципов УФ лазерного синтеза углеродных, металлических и металлоуглеродных нанопорошков и нанопокрытий

Способ получения наноматериалов методом УФ фотолиза газообразных соединений весьма перспективен и задача внедрения данного способа в производство нанопорошков и нанопокрытий является весьма актуальной задачей.
Целями НИР на данном этапе являлись: анализ научно-технической литературы и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме, проведение патентных исследований, подготовка экспериментальных исследований, проведение исследований по определению веществ прекурсоров и источников УФ излучения.
  На основании анализа научно-технической литературы произведены оценки необходимой энергии для получения углеродных и металлических наноматериалов, определены характеристики источника УФ излучения, проведен анализ веществ прекурсоров и определены вещества, которые будут использованы для синтеза углеродных, металлических и металлоуглеродных нанопорошков и нанопокрытий.
Подготовлено для исследований два экспериментальных стенда в России и Германии, для проведения работ указанных в последующих этапах технического задания и проведены предварительные эксперименты, которые показали возможность и эффективность синтеза нанопорошков и нанопокрытий при УФ фотолизе недокиси углерода и карбонила железа.
Проведены патентные исследования, которые показали патентную чистоту и патентную защищенность планируемых в данной работе результатов.

В результате выполнения второго этапа выполнения работы были получены следующие основные результаты:
- были синтезированы углеродные наночастицы с размерами 5-12 нм, исследованы зависимости влияния давления и рода газа разбавителя, концентрации молекул прекурсора (недокиси углерода) на скорости роста и размеры полученных наночастиц. Получено 12 образцов углеродных наночастиц синтезированных в различных условиях;
- исследовано влияние активных примесей на процессы роста наночастиц;
- предложена физическая модель для описания процесса синтеза наночастиц в зависимости от давления газа-разбавителя при конденсации пересыщенного углеродного пара;
- получено 7 образцов углеродных нанопокрытий на кремнии, стекле, корунде и металле;
- свойства полученных образцов исследованы с помощью электронной микроскопии, микродифракционного анализа и элементного анализа.
Полученные результаты характеризуются новизной, оригинальностью использованной методики синтеза наночастиц, применением новых методов диагностики для измерения размеров растущих наночастиц. Данные результаты отличаются от работ, определяющих мировой уровень в исследовании синтеза углеродных наночастиц более эффективным использованием энергии, для создания атомного пара, а так же свойствами синтезируемых углеродных наночастиц и нанопокрытий.
Углеродные нанопорошки могут иметь широкий спектр применения в развивающихся областях нанотехнологий, таких как, наполнители для лакокрасочных покрытий и резинотехнических изделий, как основа для нанесения полиграфических изображений. Углеродные нанопокрытия могут быть востребованы как защитные пленки на поверхности материалов в условиях агрессивной окружающей среды, как антифрикционные покрытия во вращающихся узлах деталей машин

Полученные результаты характеризуются оригинальностью использованной методики синтеза наночастиц, развитием нового метода диагностики для измерения размеров растущих наночастиц и отличаются от работ, определяющих мировой уровень в исследовании синтеза железных наночастиц более эффективным использованием энергии, а так же свойствами синтезируемых железных наночастиц и нанопокрытий.
Железные нанопорошки могут иметь широкий спектр применения в энергетике (наноразмерное топливо для двигателей), в машиностроении (детектирование поврежденных металлических поверхностей при помощи магнитных наночастиц), в области охраны окружающей среды (нейтрализация вредных веществ и очистка почв), в медицине (стимуляторы заживления ран), в сельском хозяйстве (стимуляторы роста растений и животных) и других областях. Железные нанопокрытия могут быть востребованы как проводящие пленки при создании электронных приборов, как каталитические элементы в химическом синтезе, а так же при создании магнитных носителей информации с высокой плотностью записи.

Основным методом, используемым для развития новой технологии по-лучения металлоуглеродных нанопорошков и нанопокрытий является впер-вые предложенный в ОИВТ РАН новый метод УФ фотолиза газообразных соединений, приводящий к появлению пересыщенного пара атомов с после-дующей его конденсацией в объеме при комнатных температурах. Предла-гаемый подход характеризуется низкими энергетическими затратами, широ-ким спектром воздействия на результат процесса синтеза наночастиц, а также контролируемостью параметров синтеза, что позволяет получать наномате-риалы с заданными свойствами и прецизионно управлять процессом синтеза. Важно также отметить, что легко варьируемые и надежно контролируемые условия фотосинтеза наночастиц делают его весьма перспективным как для фундаментальных исследований процессов конденсации и роста наночастиц, так и для разработки новых практических способов получения композицион-ных материалов на основе смесей металлических и углеродосодержащих га-зообразных веществ.
В процессе работ на данном этапе исследован процесс роста железоуг-леродных наночастиц наночастиц при совместном фотолизе пентакарбонила железа (Fe(CO)5) и углеродосодержащих соединений – недокиси углерода (С3О2) и четыреххлористого углерода (CCl4). Следующий за этим процесс конденсации пересыщенного железного пара, совместно с углеродным па-ром, или углеродосодержащими радикалами приводит к формированию ме-таллоуглеродных наночастиц, состоящих из железных ядер, покрытых угле-родной оболочкой. При осаждении атомных паров на подложки, были полу-чены железоуглеродные нанопокрытия, которые состоят из слоя железных наночастиц, покрытых углеродной пленкой. В качестве источника излучения использовались импульсный Nd:Yag лазер на 4 гармонике (266 нм) и им-пульсная УФ лампа. Процесс роста наночастиц наблюдался при помощи ме-тода лазерной экстинкции, образцы наночастиц и нанопокрытий исследова-лись при помощи электронного микроскопа и атомно-силового микроскопа. Определены размеры частиц, а также кинетические характеристики их роста.
Полученные результаты позволяют провести дальнейшие работы по созданию технического задания на разработку технологии УФ синтеза ме-таллоуглеродных нанопорошков и нанопокрытий и приступить к созданию опытного образца.