Гранты и госконтракты
На данный момент деятельность НОЦ «Наноматериалы и нанотехнология» поддержана следующими грантами:
1. «Исследование строения и физико-химических свойств композитных наноструктурных материалов, в том числе полимерных наносистем» (Госзадание, 2014-2016 гг.)
Руководитель: Запороцкова Ирина Владимировна.
По результатам деятельности в рамках научного исследования были достигнуты следующие результаты:
Количество научных работ опубликованных в 2016 году – 13.
Из них в изданиях, включенных в перечень ВАК – 7.
Из них в изданиях, включенных в библиографическую базу данных РИНЦ – 10.
Из них в изданиях, включенных в международные системы цитирования (библиографические и реферативные базы научных публикаций) – 3.
В соответствии с указанными направлениями на первом этапе выполнения проекта были получены следующие результаты.
Изучено электронное строение и транспортные свойства композитов на основе углеродных, борных и борсодержащих нанотруб и квазипланарных полимеров (типа пиролизованного полиакрилонитрила), созданные на основе расчетов, выполненных квантово-химическими методами MNDO и DFT.
Изучены механизмы взаимодействия нанополимеров (поливинилпирролидона, поликапролактона, полимолочной кислоты, хитозана, полиметилметакрилата) с лекарственными препаратами и оказана возможность создания биосовместимых материалов нового типа для нужд медицины (стоматологии, сосудистой хирургии, гастроэнтерологии).
Изучены механизмы взаимодействия боросодержащих углеродных и чисто углеродных нанотрубок с адсорбированными атомами и молекулами (простыми газофазными, металлическими, сложными органическими, молекулами оксидов металлов).
Изучены способы внутреннего насыщения боросодержащих углеродных нанотрубок типа ВС3 с атомами щелочных металлов, определены особенности электронноэнергетического строения полученных интекалированных композитов.
Построены модели сенсоров на основе боросодержащих нанотрубок, в том числе с краевой модификацией функциональными группами, определены особенности их геометрического строения.
На основе полученных теоретических результатов разработана технология создания биосовместимых наноматериалов на основе полимеров (поливиниллпирролидон, хитозан и т.п.) для медицинских нужд (фармакология, сосудистая хирургия, стоматология).
Исследовано распространение двумерных предельно коротких импульсов (световых пуль) с гармонической модуляцией показателя преломления в брэгговской среде с углеродными нанотрубками.
Доказано, что световая пуля в брэгговской среде с гармонической модуляцией показателя преломления не испытывает уширения, но возникают электрические колебания в среде после ее прохождения, что связано с отсутствием баланса между дисперсией среды и нелинейностью среды. Несмотря на изменение формы энергия световой пули остается сосредоточенной в ограниченной области.
Эволюция распространения двумерных предельно коротких оптических импульсов показывает, что световая пуля несколько изменяет свою конфигурацию и приводит к эффекту расплывания формы с течением времени вследствие дисперсионных эффектов. Решение для двумерной световой пули в брэгговской среде с гармонической модуляцией остается локализованным, однако изменяет пространственную структуру вследствие поперечной дисперсии. Совместное действие эффектов расплывания импульса вследствие дисперсии и нелинейности приводят к образованию многопичковой поперечной структуры, которая тем не менее остается локализованной в ограниченной пространственной области.
Доказано, что возможно устойчивое распространение двумерных световых пуль в среде углеродных нанотрубок с периодически меняющимся показателем преломления. Это позволяет управлять скоростью световых пуль, изменяя параметры брэгговской среды.
Проведен расчет диагональных элементов тензора диэлектрической проницаемости как для объемных, так и для монослоев титана и диоксида титана. Показано существенное влияние размерного эффекта для наноразмерных структур. Проведен расчет диэлектрической проницаемости для борных и боронитридных нанотрубок.
Развита квантовая модель расчета диэлектрической проницаемости наноструктуры монослоя железа с учетом анизотропии и пространственной дисперсии. Важность такого учета для приложений состоит в том, что данные параметры позволяют получить дополнительные механизмы управления свойствами наноструктур при создании приборов наноэлектроники.
Найдены условия существования поверхностных поляритонов для пленки титана в областях отрицательных значений действительной части диэлектрической проницаемости и проведен расчет дисперсионной зависимости поверхностных поляритонов.
2. «Разработка научных основ перспективных технологий на основе введения углеродных нанотрубок, улучшающих эксплуатационные характеристики созданных новых материалов: улучшение характеристик ГСМ путем введения углеродных нанотрубок» (РФФИ, 2015-2016 гг.)
Руководитель: Запороцкова Ирина Владимировна.
По результатам деятельности в рамках научного исследования были достигнуты следующие результаты:
Количество научных работ опубликованных в 2016 году – 22.
Из них в изданиях, включенных в перечень ВАК – 11.
Из них в изданиях, включенных в библиографическую базу данных РИНЦ – 8.
Из них в изданиях, включенных в международные системы цитирования (библиографические и реферативные базы научных публикаций) – 8.
В соответствии с указанными направлениями на первом этапе выполнения проекта были получены следующие результаты.
Установлено, что основным механизмом процессов, происходящих при взаимодействии УНТ с сопутствующими компонентами моторных масел, в том числе образующихся в результате старения масла, является адсорбция этих веществ на внешней поверхности УНТ, что приводит к их изъятию из смеси и осаждению и к соответствующему улучшению эксплуатационных характеристик ГСМ.
На основе анализа результатов квантово-химического моделирования процессов взаимодействия УНТ с основными составляющими нефтепродуктов (нафтен, ароматические углеводороды и т.д.) доказано, что основным механизмом процессов, происходящих при введении УНТ в состав ГСМ является адсорбция углеводородных компонентов на поверхности УНТ, приводящая к образованию стабильных комплексов композиционной смеси.
Предложена и отработана технология введения УНТ в масло с использованием ультразвукового воздействия и механического перемешивания композиционный смеси для достижения равномерного распределения нанотрубок в матрице ГСМ.
Создана установка для искусственного старения ГСМ.
На основе полученных результатов было высказано предположение, что добавление УНТ в состав масел, помимо своего непосредственного влияния на свойства ГСМ за счет адсорбции вредных компонентов, активирует деятельность основных модифицирующих присадок масел.
Выполнены теоретические исследования адсорбции некоторых атомов на поверхности углеродных нанотрубок с замещающими атомами бора, что может послужить предпосылкой использования данных наноматериалов в качестве модифицирующей добавки ГСМ.
Выполнено моделирование процессов взаимодействия УНТ с некоторыми полимерами, что явилось предпосылкой исследования возможности взаимодействия УНТ с основными составляющими нефтепродуктов - углеводородами разной степени сложности.
Выполнены испытания на окислительную стабильность для определения степени деградации (старения) композиционной смеси в ходе эксплуатации.
Экспериментальные исследования физико-химических и механических свойств наномодифицированного масла с использованием современного аналитического оборудования: машины трения, ротационного вискозиметра и т.д. доказали положительное влияние УНТ на эксплуатационные характеристики ГСМ.
Разработан и апробирован программный комплекс и база данных моделирования перспективных технологий на основе введения углеродных нанотрубок, улучшающих характеристики созданных новых материалов, которые позволят быстро и в полном объеме найти разноаспектную информацию по заданному признаку.
3. «Модифицированные нанотубулярные системы как элементы наноустройств, в том числе сенсорных приборов» (Грант Президента РФ, 2016 г.)
Руководитель: Борознина Наталья Павловна .
По результатам деятельности в рамках научного исследования были достигнуты следующие результаты:
Статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК – 6.
Статьи в изданиях, включенных в библиографическую базу данных РИНЦ – 6.
Статьи в изданиях, включенных в международные системы цитирования (библиографические и реферативные базы научных публикаций) – 2.
В соответствии с указанными направлениями на первом этапе выполнения проекта были получены следующие результаты.
Углеродные нанотрубки были открыты и описаны в 1991 году японским исследователем С. Ииджимой. Одно из поразительных явлений, связанных с нанотрубками, состоит в том, что их свойства зависят от геометрии. Нанотрубки - это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрометров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей. Их поверхность выполнена правильными шестичленными углеродными циклами (гексагонами). В зависимости от условий получения образуются однослойные или многослойные тубулены, имеющие открытые или закрытые концы.
Так как нанотрубка является поверхностной структурой, то вся ее масса заключена в поверхности ее слоев. Это определяет аномально высокую удельную поверхность тубуленов, что, в свою очередь, задает особенности их электрохимических и сорбционных характеристик.
Одной из наиболее часто используемых моделей, применяемых для расчетов структуры твердых тел, является модель молекулярного кластера (МК). Она создается выделением в твердом теле ограниченного фрагмента – кластера - и расчетом его электронной структуры с применением методов, разработанных в теории молекул. Для того, чтобы скомпенсировать оборванные связи на границе кластера, их замыкают фиктивными атомами (или псевдоатомами).
Одним их методов расчета, используемом при выполнении диссертационной работе для изучения нанотубулярных модифицированных систем, является квантово-химический полуэмпирический метод MNDO (Modified Neglecting of Diatomic Overlap) метод модифицированного пренебрежения двухатомным перекрыванием. Этот метод, разработанный в 60-е годы 20 века, по-прежнему востребован, т.к. обладает высокой точностью для расчетов огромного числа многомолекулярных систем при сохранении относительно небольшого компьютерного времени, требуемого для выполнения теоретических исследований.
В последнее время все большее распространение приобретают неэмпирические методы расчёта, использующие положения теории функционала плотности (ТФП, или DFТ - Density Functional Theory). Согласно этой теории все свойства системы, в том числе, и наноструктурной системы, получают без знания волновых функций, а только из электронной плотности. Интеграл от электронной плотности по всему пространству твердого тела или кластера определяет полное число электронов в системе. Кинетическая энергия электронов описывается явно, а потенциальная энергия описывается по закону Кулона. Электронная корреляция (так называется эффект, обусловленный мгновенным кулоновским отталкиванием между электронами) учитывается приближенно.
Сенсорная активность гранично-модифицированной карбоксильной группой углеродной нанотрубки в отношении щелочных металлов Углеродные нанотрубки с граничной модифицией могут служить зондами в сенсорных устройствах. Например, таким сенсором будет атомно-силовой микроскоп с расположенной на его острие нанотрубкой, к границе которой присоединена особо выбранная функциональная группа. В работе сообщается, что были получены многослойные УНТ, торец которых модифицировала карбоксильная группа – СООН группа.
Сенсорная активность гранично-модифицированной аминогруппой углеродной нанотрубки в отношении щелочных металлов. Как говорилось выше, карбоксильная группа, модифицирующая границу углеродной нанотрубки, может быть заменена на другие функциональные группы, например, на достаточно распространенную и изученную аминогруппу NH2. Реакционная способность аминогруппы обусловлена наличием неподеленной пары электронов.
Исследование возможности модификации бороуглеродных нанотрубок карбоксильной группой. Наряду с чистыми углеродными нанотрубками, исследователи обращают пристальное внимание на другие виды нанотубулярных структур. Среди них наиболее привлекательными выглядят нанотрубки на основе карбида бора, так как проведенные ранее исследования показали, что по некоторым показателям они не уступают углеродным наноструктурам. Поразительные свойства углеродных наноструктур сделали их источником идей для сотен различных применений в науке и технике, в том числе в нанотехнологии и наноэлектронике, и вдохновили исследователей на поиск новых неуглеродных нанотрубок среди других классов неорганических соединений.