Лаборатория «Неорганические наноматериалы»

Лаборатория создана в результате победы НИТУ МИСИС в конкурсе мегагрантов Министерства образования и науки РФ. Научный руководитель — профессор Дмитрий Викторович Гольберг, один из лучших мировых экспертов в области исследования наноструктур и нанотехнологий, директор Центра нанотрубок Национального института материаловедения г. Цукуба (Япония).

Развитие современной техники и производственных технологий требуют создания новых материалов с уникальным сочетанием различных свойств и функциональных характеристик — механических, тепловых, электронных. Ожидается, что нанотрубка, представляющая собой наноразмерный цилиндр, образованный графитоподобным слоем гексагонально упакованных атомов углерода, и ее двумерный аналог графен станут революционными материалами XXI века, способными осуществить прорыв в науке о материалах. Достаточно привести несколько цифр: эти наноматериалы чрезвычайное легкие (весят в 5 раз меньше стали), а запас прочности — в 100 раз выше. Кроме того, они обладают рекордными значениями теплопроводности и другими удивительными свойствами.

Обычно наноматериалы представляют состоящими именно из атомов углерода. Однако существуют и неорганические соединения, способные образовывать подобные структуры. Одно из таких соединений — структурный близнец графита нитрид бора. Кроме того, нанотрубки и атомарно гладкие слои могут быть образованы дихалькогенидами. Такие неорганические наноструктуры долгое время находились в тени своих широко обсуждаемых углеродных «родственников», поэтому возможность их промышленного применения до сих пор остается недооцененной. С применением неорганических наноматериалов в технологиях и производстве связывают будущее автомобильной, авиационной, космической, медицинской отраслей промышленности. Получение легкого, прочного и термопроводящего материала — это реальность сегодняшнего дня.

Основные направления:

  • создание конструкционных материалов на основе сверхлегких алюминий-содержащих металлических матриц,
  • разработка упрочняющих наполнителей с включением нанотрубок нитрида бора,
  • создание покрытий на основе неорганических аналогов графенов,
  • раскрытие новых возможностей технологического использования неорганических наноматериалов.

Уникальное оборудование:

  • Сканирующий электронный микроскоп JSM7600F с системой микроанализа (ЭДС).
  • Инфракрасный спектрометр.
  • Атомно-силовой микроскоп NTEGRA с Рамановским спектрометром.
  • Прибор синхронного термического анализа STA 449 F1 Jupiter.
  • Вертикальная индукционная печь для синтеза нанотрубок.
  • Горизонтальная трубчатая печь для синтеза графенов.
  • Муфельная и индукционная печи.
  • Установка для получения композиционных материалов методом горячего прессования.
  • Установка для получения композиционных материалов методом спиннингования.
  • Универсальная испытательная машина Shimadzu.
  • Автоматический микротвердомер.
  • Шлифовально-полировальное оборудование
  • Установка для горячей запрессовки образцов
  • Отрезной станок для подготовки образцов.

Инновационные проекты:
С помощью вертикальной индукционной печи при температурах 1573-1773 С были синтезированы многостенные BN нанотрубки и наносферы с внешним диаметром от 5 до 200 нм в количестве до 1 г на один эксперимент. Впервые исследованы механические свойства индивидуальных ультратонких нанотрубок BN непосредственно в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) высокого разрешения (in-situ) с использованием специальных микроманипуляторов. Показано, что при внешнем диаметре 10 нм или менее, нанотрубки обладают исключительно высокой прочностью (порядка 1.2 ГПа) на сжатие и изгиб. Анализ кривых нагружение-деформация показал, что нанотрубки способны накапливать или поглощать энергию деформации порядка 400´106 Дж м-3, что на два порядка превосходит возможности стандартных углеродных нанотрубок. Испытания на растяжения трубок BN большего диаметра (до 100 нм) показали, что они обладают исключительно высокой прочностью на растяжение, достигающей ~35 ГПа, что почти в 50 раз выше, чем значения у высокопрочной стали. Это делает нанотрубки BN перспективным материалом для упрочнения металлических и керамических материалов. Используя горизонтальную электрическую печь были получены нанолисты BN на кремниевых подложках. Эти тонкие слои BN обладают супергидрофобными свойствами, что позволяет их использовать в качестве оптически прозрачных самоочищающихся покрытий.

Методами ионной имплантации и магнетронного распыления получены нанокомпозиционные материалы Al/BN нанотрубки. Методами ПЭМ и Рамановской спектроскопии показано, что ионная имплантация приводит к частичной аморфизации внешних слоев нанотрубок. Путем оптимизации энергетических режимов ионной имплантации Al получены нанотрубки BN, равномерно покрытые слоем алюминия. В случае магнетронного распыления, структурные исследования, проведенные методами ПЭМ и СЭМ, показали, что толщина слоя металла на отдельной нанотрубке составляла 10-300 нм.

Алюминиевые покрытия в композитах, полученных методом магнетронного распыления, имели нанокристаллическую морфологию с разориентированными зернами. Механические свойства этих нанокомпозитов исследовали в тестах на изгиб и растяжение in-situ непосредственно в электронном микроскопе. Полученные результаты показали, что, по сравнению с образцами из чистого алюминия, механические характеристики нанокомпозиционного материала Al/BN значительно улучшаются. В зависимости от толщины слоя Al прочность композита на растяжение возрастает до 360-1400 MПa по сравнению с 30 MПa у чистого Al.

Важную роль в проекте сыграло получение методом спиннингования из расплава микрокомпозитов Al длиной до 1 м, шириной 4-5 мм и толщиной в 50 мкм, армированных нанотрубками и наночастицами BN. Выполнены многочисленные эксперименты по оптимизации технологических режимов, а также исследованы свойства композитов на растяжение при комнатной температуре. Полученные материалы обладали пределом прочности 145 МПа, что в 2,5 раза выше, чем у лент из чистого алюминия, полученных при таких же условиях. Показано, что положительный эффект от армирования лент Al нанотрубками BN превосходит таковой в случае использования наночастиц BN. Выполнен структурный анализ процесса разрушения лент методами СЭМ и АСМ.

Проведенный микроскопический анализ выявил ряд важных особенностей:

  • нанотрубки распределены случайным образом в микрокомпозитах;
  • никаких других фаз, кроме чистого Al и хорошо сохранившихся многостенных нанотрубок или микрочастиц нитрида бора в полученных лентах нет;
  • физическая адгезия нанотрубок с алюминием достаточно высока, что предотвращает полный отрыв нанотрубок от металлической матрицы при растяжении;
  • нанотрубки, по крайней мере частично, принимают на себя растягивающие нагрузки.

Проведено сравнение экспериментальных результатов с существующей теорией. Проведенное ab initio моделирование взаимодействия Al с нанотрубками BN показало, что связи на границе раздела фаз для идеальных структур Al и BN слабы и регулируется Ван-дер-Ваальсовскими взаимодействиями. Критическое напряжение сдвига для подобных систем является низким и сравнимо с данной величиной для графита, однако точечные дефекты на границе раздела должны привести к существенному увеличению критического напряжения сдвига до 1 ГПa. Степень увеличения этой характеристики зависит от концентрации дефектов.

Методом внутреннего трения в широком диапазоне температур 80-800 К были изучены процессы рассеивания энергии в композиционных материалах, полученных методом спиннингования из расплава. Показано, что упрочнение металлической матрицы нанотрубками BN связано с образованием дислокаций на границах раздела Al/BN вследствие термических напряжений, а также конкурентно протекающими процессами накопления и релаксации дефектов в процессе термоциклирования. Причем в случае использования нанотрубок процесс накопления дефектов протекает более интенсивно по сравнению с наночастицами, что увеличивает вязкую составляющую деформации при высокой температуре.

Композиты Al/BNNT с различной весовой долей нанотрубок BN также были получены методами порошковой металлургии. Для получения композиционных материалов использовались три различных метода:

  • стандартный метод порошковой металлургии (прессование и спекание),
  • метод искрового плазменного синтеза (ИПС),
  • скручивания под высоким давлением (СВД).

Максимальное увеличение твердости и прочности на растяжение было получено при использовании метода СВД, благодаря особой структуре и уменьшению остаточной пористости материала вследствие приложения высокого давления в условиях комплексной деформации на сжатие и сдвиг. Образцы на основе алюминия, содержащие 3 вес.% нанотрубок BN, продемонстрировали прочность на растяжение порядка 350 МПа. Эта величина уже сравнима с некоторыми видами конструкционных сталей, например, А36, у которых прочность на растяжение составляет 400 МПа, однако полученные композиционные материалы, армированные нанотрубками BN более чем в 3 раза, легче (плотность, соответственно 7.85 и 2.5 г/см3). Таким образом, эти результаты открывают новые горизонты в области получения новых видов конструкционных материалов, оптимизации их структуры и свойств, и дальнейшей коммерциализации.

Также на металлических подложках были получены нанопластины неорганического состава, а именно дихалькогенида MoS2. Их структура изучалась методом просвечивающей электронной микроскопии с коррекцией аберрации. Впервые удалось наблюдать отслаивание 1, 2 и 3 атомных слоев непосредственно в электронном микроскопе. Выполнены сравнительные экспериментальные и теоретические исследования по химическому раскрытию многослойных нанотрубок WS2 при интеркаляции литием и молекулами октантиола-1. Путем измерения электрических свойств в просвечивающем электронном микроскопе in-situ показано, что атомарно-тонкие пластины WS2 являются проводящими. Расширение нанотрубок было описано в рамках теории упругих оболочек с параметрами, полученными на основе расчетов из первых принципов. Внедрение молекул октантиола-1 между слоями нанотрубки происходит из-за взаимодействия с интеркалированными ионами лития Li+. Результаты ab initio расчётов показали, что энергии, выделенной при таком взаимодействии, достаточно для расширения нанотрубки до критического радиуса, при котором она раскрывается в наноленту. Результаты теоретического исследования подтверждают и объясняют полученные экспериментальные данные.

Научные статьи и публикации
  1. M. Yamaguchi, D. M. Tang, C. Zhi, Y. Bando, D. V. Shtansky, D. Golberg, Synthesis, structural analysis and in situ TEM mechanical tests on individual aluminum matrix — boron nitride nanotube nanohybrids, Acta Materialia (2012). Impact factor 4.47 (Скачать) (2,1 МБ)
  2. E.A. Obraztsova, D.V. Shtansky, A.N. Sheveyko, A.M. Kovalskii, M. Yamaguchi, D. Golberg, Metal ion implantation of multi-walled boron nitride nanotubes, Scripta Materialia (2012). Impact factor 3.22 (Скачать)
  3. M. Yamaguchi, A. Pakdel, C. Zhi, Y. Bando, D.M. Tang, K. L. Faerstein, D. V. Shtansky, D. Golberg, Utilization of multiwalled boron nitride nanotubes for the reinforcement of lightweight aluminum ribbons, Nanoscale Research Letters (2013). Impact factor 2.78 (Скачать) (1,2 МБ)
  4. E. A. Obraztsova, D. V. Shtansky, A. N. Sheveyko, M. Yamaguchi, A.M. Kovalskii, J.-Y. Mevellec, S. Lefrant, D. V. Golberg, Structural changes of BN nanotubes by Al ion irradiation, Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics (2013). Impact factor 0.479 (Скачать) (2,8 МБ)
  5. A. Pakdel, Y. Bando, D. V. Shtansky, D. Golberg, Nonwetting and optical properties of BN nanosheet films, Surface Innovations (2013). (Скачать) (3,4 МБ)
  6. Y. Huang, J. Lin, J. Zou, M.-S. Wang, K. L. Faerstein, C. Tang, Y. Bando, D. Golberg, Thin boron nitride nanotubes with exceptionally high strength and toughness, Nanoscale (2013). Impact factor 7.40 (Скачать)
  7. M. Yamaguchi, J. Bernhardt, K. Faerstein, D. Shtansky, Y. Bando, I. S. Golovin, H.-R. Sinning, D. Golberg, Fabrication and characteristics of melt-spun Al ribbons reinforced with nano/micro-BN phases, Acta Materialia (2013). Impact factor 4.47 (Скачать) (2,1 МБ)
  8. D. G. Kvashnin, L. Yu. Antipina, P. B. Sorokin, R. Tenne and D. Golberg, Theoretical aspects of WS2 nanotube chemical unzipping, Nanoscale (2014). Impact factor 7.40 (Скачать)
  9. D.M. Tang, D.G. Kvashnin, Z. Xu, N. Kawamoto, M. Mitome, Y. Bando, K. Kimoto, P. B. Sorokin, J. Lou, D. Golberg, Nanomechanical cleavage of MoS2 atomic layers, Nature Communication (2014). Impact factor 11.47 (Скачать) (1,9 МБ)
  10. A.G. Kvashnin, L. A. Chernozatonskii, B. I. Yakobson, P. B. Sorokin, Phase diagram of quasi-two-dimensional carbon, Nano Letters, (2014). Impact factor 13.59 (Скачать)
  11. L. Yu. Antipina, P.B. Sorokin, Converting Chemically Functionalized Few-Layer Graphene to Diamond Films: A Computational Study The Journal Of Phisical Chemistry C, (2015). Impact factor 4.77 (Скачать) (2,8 МБ)
  12. A.G. Kvashnin, P.B. Sorokin, Lonsdaleite films with nanometer thickness, Journal of Physycal Chemistry Letters, (2014). Impact factor 7.48 (Скачать)
  13. M. Yamaguchi, F. Meng, K. Firestein, K. Tsuchiya, D. Golberg, Powder metallurgy routes toward aluminum boron nitride nanotube composites, their morphologies, structures and mechanical properties, Materials Science & Engineering A, (2014). Impact factor 2.57 (Скачать) (3,7 МБ)
  14. A.T. Matveev, K.L. Firestein, A.E. Shteinman, A.M. Kovalskii, O.I. Lebedev, D.V. Shtansky, D. Golberg, «Boron nitride nanotube growth via boron oxide-assisted chemical vapor transport-deposition process using LiNO3 as a promoter», Nano Research, (2015). Impact factor 7.01 (Скачать) (2,5 МБ)
  15. D.G. Kvashnin, P.B. Sorokin, D.V. Shtansky, D. Golberg , A.V. Krasheninnikov «Line and rotational defects in boron-nitrene: structure, energetics and dependence on mechanical strain from first-principles calculations», Physica Status Solidi (2015). Impact factor 1.48 (Скачать) (4,5 МБ)
  16. K. L. Firestein , A. Shteinman , A. T. Matveev , A. M. Kovalskii, Cifre J., E. A. Obrastsova, I. S. Golovin, O. I.Lebedev, D. V. Shtansky, D. Golberg «Fabrication, characterization and mechanical properties of spark plasma sintered Al/BN nanoparticle composites», Materials Science & Engineering A, (2015). Impact factor 2.57 (Скачать) (4,2 МБ)
  17. I.V. Sukhorukova, I.Y. Zhitnyak, A.M. Kovalskii, A.T. Matveev, O. I. Lebedev, X. Li, N. A. Gloushankova, D. Golberg, D. V. Shtansky «Boron nitride nanoparticles with a petal-like surface as anticancer drug-delivery systems», ACS Applied Material Interfaces (2015). Impact factor 6.70 (Скачать) (4,7 МБ)
  18. C. Zhang, Z. Xu, D. G. Kvashnin, D.M. Tang, Y.M. Xue, Y. Bando, P. B. Sorokin, D. Golberg, «Opto-mechano-electrical tripling in ZnO nanowires probed by photocurrent spectroscopy in a high-resolution transmission electron microscope». Applied Physics Letters (2015), in press. Impact factor 3.30
Контакты
Наш сайт использует файлы cookie.
Мы не идентифицируем вас, а улучшаем работу сайта.
Оставаясь, вы даете согласие на обработку файлов cookie.