На кафедре «Нанотехнологии, материаловедение и механика» и в лаборатории «Нанокатализаторы и функциональные материалы» опорного Тольяттинского государственного университета (ТГУ) добились новых успехов в изучении нановискерных структур. Учёные ТГУ нашли как минимум пять способов их применения.

Изучением нановискеров в опорном ТГУ занялись в 2014 году. Тогда по результатам исследования наночастиц была опубликована научная статья «Нановискеры оксида меди. Получение, особенности структуры, свойства и их применение». В статье был закреплён результат исследования – открытие свойств нановискеров, полученных на основе оксида меди. Учёные выяснили, что вискеры обладают рядом полезных свойств: они очень прочные и гибкие, выдерживают колоссальные циклические нагрузки, многократно сгибаются и не ломаются, при этом сохраняют исходную форму.

Нановискеры – перспективное направление в науке, в связи с чем изучением свойств наночастиц и возможностей их применения занимаются не только в ТГУ. Учёные Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, Физико-технического институте имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук (РАН), Удмуртского федерального исследовательского центра Уральского отделения РАН, института аналитического приборостроения РАН и многих других университетов мира также занимаются научной работой в этой сфере.

По итогам последних исследований и экспериментов одним из важных результатов в этой области стало создание учёными ТГУ нанофильтра из вискеров. Ход эксперимента описан в научной статье «Нановискерные структуры оксида меди в условиях воздействия температурных полей и агрессивных сред», опубликованной в журнале «Письма о материалах», индексируемом в библиографической и реферативной базе данных Scopus. Авторы статьи – Наталья Грызунова (доктор физико-математических наук, доцент кафедры «Нанотехнологии, материаловедение и механика» ТГУ), Анатолий Викарчук (доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Нанотехнологии, материаловедение и механика» ТГУ), Вадим Бекин (кандидат химических наук), Владислав Фирсов (младший научный сотрудник) и Алексей Грызунов (младший научный сотрудник).

Суть эксперимента

На решётку из нержавеющей стали наносится покрытие из меди (фото а). Нагревание меди на воздухе превращает её в оксид меди, на поверхности кристаллов начинают расти вискеры. Интенсивность их роста зависит от дефектов и напряжённого состояния кристаллов. Активнее всего вискеры растут на пентагональных кристаллах (фото б). Таким образом получают металлическую решётку с закреплёнными на ней нановискерами из оксида меди.

Такую решётку можно использовать в том числе и как нанофильтр. При прохождении через такой нанофильтр газов и жидкостей загрязнения, находящиеся в них, задерживаются и разлагаются на вещества, безвредные для окружающей среды.

Представьте себе сито с нанесённым на него чудо-средством для мытья посуды. Если через такое сито пропустить воду с жиром, то средство вмиг удалит жир из воды, а воду на выходе можно будет пить. Только средство должно быть закреплено на сите, чтобы не попасть с водой в организм человека. По такому принципу и работает решётка с нановискерами – нанофильтр.

Учёные ТГУ, изучая возможные области применения полученных нанофильтров, пришли к выводу, что решётки с вискерами из оксида меди наиболее перспективны. Дело в том, что оксид меди – полупроводник, а вискеры на его основе могут быть фотокатализатором. За счёт этого процесс разложения вредных веществ ускоряется и время на разложение сокращается.

Области применения

• Очищение воды (патенты, полученные учёными ТГУ: № 2685300, № 182587)

До открытия нанофильтра использовать отдельные вискеры-«волоски» было проблематично. Они попадали в организм человека и оказывали вредное воздействие. Нанофильтр, который разработали учёные ТГУ, решает эту проблему. Теперь, когда загрязнённая вода проходит через такой нанофильтр, нановискеры, хорошо закреплённые на решётке, разлагают загрязнения, а сами в воду не попадают. Таким образом можно очищать токсичные, представляющие угрозу для жизни растений, животных и человека сточные воды аэропортов, нефтеперерабатывающих заводов и полигонов твёрдых бытовых отходов.

• Очистка воздуха (патент учёных ТГУ № 2678983)

Нанофильтры позволяют очищать загрязнённый воздух, что особенно актуально для Тольятти. Решётка с нановискерами может быть использована как барьер для выбросов в атмосферу вредных веществ.

• Измерение концентрации загрязнения воздуха (патенты учёных ТГУ № 190229)

Нановискеры могут выступать в качестве газовых сенсоров – датчиков загазованности воздуха. Так, при попадании вредных газов на нанофильтр его проводимость увеличивается, что может служить сигналом о загрязнении воздуха.

• Измерение шероховатости поверхностей

Вискеры используют в качестве прибора-иглы для измерения шероховатости поверхности и в атомно-электронной микроскопии в качестве кантилевера.

• Измерение твёрдости материалов

Благодаря высокой прочности вискеры могут применяться, например, для измерения твёрдости материалов. Вискеры с лёгкостью проникают в поверхности различных металлов, сплавов, материалов и измеряют их твёрдость.

• Медицина

В перспективе вискеры могут найти применение и в медицине. Их можно будет использовать как сварочный электрод на молекулярном уровне, например, для сварки сетчатки глаза, а изогнутый нановискер, как крючок, подходит для извлечения тромбов из кровеносных сосудов.

Командная работа

Научное открытие – это всегда командная работа. Так, например, над одним научным открытием трудится сразу несколько человек в лабораториях ТГУ. Кто-то занимается частицами, кто-то катализаторами, кто-то вискерами, а кто-то изготавливает и апробирует пилотные лабораторные установки, которые позже превращаются в промышленные. В лаборатории «Нанокатализаторы и функциональные материалы» ТГУ под руководством Анатолия Викарчука трудятся не только преподаватели, учёные, но и студенты.

– Весь эксперимент для научной статьи проводился в лабораториях ТГУ. Кстати, у нас в лаборатории есть даже студенты-второкурсники, которые набираются практического опыта. Магистранты также постоянно работают в лабораториях, к тому же, помимо стипендии, они получают зарплату. В лабораториях они занимаются изучением новых материалов, параллельно пишут диссертации, – рассказывает Анатолий Викарчук.

От открытия до промышленного применения

Учёные полностью завершили исследовательский цикл. По словам руководителя проекта Анатолия Викарчука, учёные должны заниматься наукой, а внедрение в промышленность – удел инженеров и конструкторов.

– Наша задача – показать, что практическое применение новых материалов принципиально возможно и экономически целесообразно. Мы делаем пилотные лабораторные установки, а в промышленные их должны превращать другие люди – инженеры и конструкторы, – поясняет Анатолий Алексеевич. – Мы представляем результаты исследований на международных конференциях и публикуем в престижных научных изданиях. Так о нас узнают производственники, предприниматели и инвесторы.

Что дальше

На достигнутых результатах исследования учёные Тольяттинского госуниверситета останавливаться не собираются. Применение вискеров в агрессивных средах и высоких температурах пока невозможно, они в таких условиях разлагаются. Поэтому ставить точку в изучении вискерных структур рано. Учёные из ТГУ планируют повысить их термическую устойчивость и создать на их основе принципиально новые материалы – бронежилеты, композиционные материалы и промышленные изделия, фильтры и т. д. В лабораториях ТГУ продолжают изучать нановискерные структуры, искать новые области применения этого материала и улучшать уже созданные на их базе материалы и лабораторные пилотные установки.