Разработка новых поколений пространственно – упорядоченных и самоподобных нанокристаллических материалов и нанокомпозитов и изучение закономерностей формирования их мезоструктуры методами синхротронного рассеяния

3. Результаты работы.
В результате выполнения работ по контракту проведен анализ научно-технической литературы и нормативно-технической документации по существующим методам получения мезопористый нанокомпозитов и инвертированных фотонных кристаллов на основе полимерных материалов. Разработаны методы синтеза коллоидных кристаллов на основе микросфер из полистирола и полиметилметакрилата. Разработаны методы синтеза мезопористых нанокомпозитов на основе диоксида кремния и оксида алюминия. Представлены описания методик синтеза и синтезированы три серии лабораторных образцов нанокомпозитов на основании трех типов матриц внедрения. Составлен промежуточный отчет.
4. Выводы.
1. Оптимизирована методика получения коллоидных частиц SiO2 и полистирола заданного размера для создания фотонных кристаллов со структурой опала. Определены условия синтеза монодисперсных микросфер SiO2 в интервале размеров 150-600 нм и полистирола в интервале размеров 200-800 нм с узким распределением частиц по размеру (<5%).
2. Исследованы процессы электрохимического осаждения металлов (Ni, Co, Cu) на проводящие подложки (ITO, Au) и темплатирующие пленки фотонных кристаллов на ITO. Получены пространственно-упорядоченные магнитные субмикрокомпозиты на основе массивов полимерных и оксидных коллоидных микросфер с контролируемыми геометрическими характеристиками, пригодными для реализации основных целей настоящего проекта.
3. Синтезированы и исследованы пленки пористого оксида алюминия с различным диаметром каналов пористой структуры. Установлены зависимости диаметра пор и толщины пленок от условий анодирования и химического растравливания пор.
4. Усовершенствованы научные основы методики синтеза нитевидных наночастиц в матрице мезопористого диоксида кремния, основанный на внедрении неполярных комплексов металла в гидрофобную часть композита SiO2/темплат. Получение нанокомпозитов Fe/SiO2 осуществляли пропиткой композита SiO2/темплат раствором Co2(CO)8 или Fe(CO)5 с последующим разложением комплексов и отжигом. Метод успешно реализован для магнитных нанокомпозитов, содержащих нитевидные наночастицы железа и кобальта в матрице мезопористого SiO2.
5. Сопоставлены следующие подходы к синтезу мезопористых алюмосиликатов: 1) сополиконденсация тетраэтилортосиликата и Al(NO3)3 (серия SinAl); 2) сополиконденсация ТЕОS и Al(Oi-Pr)3 (серия SinAliP); 3) гидротермальный синтез (серия SinAlht). Использование сополиконденсации ТЕОS и Al(Oi-Pr)3 для синтеза алюмосиликатов показало наличие мезопористой структуры образцов вплоть до соотношения Al:Si = 1:2. Было установлено, что лимитирующей стадией процесса формирования мезопористого алюмосиликата является гидролиз изопропилата алюминия, в то время как сополиконденсация протекает достаточно быстро, что позволило получить хорошо сформированную мезопористую структуру.

Предмет и цель работы.
Разработка научных основ технологии создания и изучения свойств композиционных наноматериалов с пространственным упорядочением активных элементов заданной морфологии с использованием методов синхротронного излучения. Дальнейшее развитие научно-технического сотрудничества между Российской Федерацией, и странами европейского союза (Францией, Голландией, Бельгией, Швейцарией) на базе использования ультра-современного оборудования синхротронного источника ESRF (Франция) и в рамках уже существующих международных программ и проектов.
Результаты работы.
В результате выполнения работ по контракту разработан метод синтеза фрактальных систем на основе дигидрооксида циркония. Проведен контроль качества синтезированных нанокомпозитов, включающий в себя: 1) рентгенофазовый анализ; 2) сканирующую электронную микроскопию; и 3) оптическую спектроскопию. Разработана методика проведения синхротронных исследований пространственно упорядоченных нанокомпозитов и фрактальных материалов. Осуществлен контроль качества полученных образцов химическими методами. Составлен промежуточный отчет

В результате выполнения работ по контракту проведены in-situ эксперименты с использованием синхротронного излучения для определения влияния особенностей процесса синтеза на функциональные особенности наноматериалов. Обработаны полученные экспериментальные данные, проведены необходимые расчеты и математическое моделирование. Из сопоставления результатов эксперимента с результатами расчетов построены модели объектов исследования с обоснованием допущений. Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96. Составлен промежуточный отчет.

1. Исследованы процессы синтеза одномерных пространственно упорядоченных нанокомпозитов на основе Fe и Co в твердотельных нанореакторах мезопористых силикатов и алюмосиликатов в in-situ экспериментах методами синхротронной дифракции. Установлено, что размер пор мезопористого оксида кремния контролируемо меняется в пределах от 2 до 8 нм, а размер пор мезопористых алюмосиликатов - от 4 до 8 нм. Получаемые наноматериалы на основе Fe, Co, и Ni характеризуются упорядоченным расположением (параметр разориентации не превышает 10 % на площади 1см2) анизотропных магнитных частиц диаметром 2-100 нм с контролируемым параметром анизотропии от 1 до 1000.
2. Синтезированные в работе фотонные кристаллы (металлических наноструктур на основе Ni, Co) обладают фотонной запрещенной зоной в видимой области спектра; продемонстрирована возможность изменения спектрального положения запрещенной зоны. Периодичность структуры субмикрокомпозитов контролируемо изменяется в области от 200 нм до 1,5 микрон. Структура субмикрокомпозитов периодична в 3-х направлениях и образует ГЦК решетку. При этом степень разупорядочения не превышает 10%, а дисперсия наноструктур по размеру не более 10%.
3. Изготовлена серия образцов на основе матриц Al2O3 с различным диаметром пор и различным типом материалов внедрения – никель и никель/медь, кобальт. Образцы отличаются высокой однородностью (отклонение по размеру не более 5%), степенью пространственного упорядочения элементов (параметр разориентации не превышает 10 % на площади 1см2), параметрами анизотропии 10-2000 и размерами от 10 до 100 нм.
4. Изготовлена серия образцов гидротированный диоксида циркония с фрактальной размерностью поверхности от 2 до 2.6, а также получены образцы с фрактальной размерностью в объеме порядка 2.6. Образцы отличаются высокой стабильностью химических и физических свойств на воздухе.
5. Разработаны методы синхротронного анализа аттестации и исследования различных пространственно упорядоченных наноструктур. Предложены и апробированы методы расчетов свойств наносистем, сформированных наночастицами в условиях ограниченной геометрии.
Полученные в работе результаты полностью соответствуют требованиям техического задания.