Прорывное исследование позволило создать универсальную математическую модель для оптимизации синтеза инновационных наноматериалов. Регулируя ключевые параметры — температуру, силу тока, напряжение и химический состав плазмы, специалисты могут целенаправленно получать наноалмазы, металл-углеродные наночастицы и другие перспективные углеродные структуры. Эти материалы имеют широчайший потенциал применения в современной биомедицине и электронике. Разработанная модель существенно упрощает их производство, открывая новые горизонты практического использования. Результаты этого важного исследования опубликованы в авторитетном журнале Nanomaterials.
Современная наука все активнее использует плазменный синтез для создания инновационных наноматериалов и наноструктур. Этот передовой метод основан на помещении исходных молекул в ионизированный газ (плазму), где под воздействием электрического тока формируются уникальные углеродные структуры — от нанотрубок и фуллеренов до одноатомных графеновых листов. Особенно перспективно получение многокомпонентных наночастиц с металлическим ядром и углеродной оболочкой. Такие частицы находят применение в создании магнитных жидкостей и систем адресной доставки лекарств. Однако для достижения заданных свойств критически важно понимать зависимость результата от условий синтеза.
Команда талантливых ученых из Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева–КАИ разработала инновационную физико-математическую модель, детально описывающую процессы формирования плазмы в смеси аргона и метана.
В ходе исследования были проанализированы два принципиальных подхода к созданию плазмы. Первый вариант предполагает протекание электрического разряда между вольфрамовым катодом и медным анодом, где высокая температура вызывает эмиссию электронов с катода, поддерживающих ток. Во втором случае используются медные электроды, а эмиссия электронов происходит под комбинированным воздействием температуры и электрического поля.
На основе комплексного математического анализа обоих случаев создана универсальная модель. Она показывает, как в газовом разряде происходит распад углеводородов (включая метан) на чистый углерод и заряженные частицы. Параллельно наблюдается испарение медных частиц с электродов в плазму.
Исследование выявило, что характеристики процесса — сила тока, давление газа, концентрация метана, параметры электродов — определяют роль медных частиц. Они могут выступать либо катализатором роста углеродных наноструктур (включая наноалмазы), либо становиться компонентом металл-углеродных наночастиц. Примечательно, что вольфрамовый катод способствует формированию металл-углеродных наночастиц, тогда как медный — образованию наноалмазов. Это объясняется различиями в количестве и энергетических характеристиках испаряющихся металлических частиц.
Разработанная модель представляет огромную ценность как для фундаментальной науки, так и для практических приложений. Она обеспечивает глубокое понимание природы дуговых разрядов с учетом влияния различных типов катодов. В прикладном аспекте модель значительно повышает эффективность плазменного синтеза наноструктур, позволяя заранее определить оптимальные условия получения наноалмазов и гибридных наноматериалов. В перспективе планируется расширение возможностей модели за счет учета пространственных эффектов, использования композитных анодов и конвективных потоков в разрядной камере.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
