Ученые разработали математическую модель, предсказывающую условия оптимального синтеза углеродных наноструктур в аргоне и гелии. Рассчитанные данные соответствовали ранее полученным экспериментальным, что доказало достоверность модели. Синтезированные с помощью такой модели наноструктуры могут использоваться в электронике, химической промышленности, а также медицине. Результаты исследования опубликованы в журнале Nanomaterials.
Наноструктуры активно применяются в электронике, медицине, химической фармацевтике, а также при проведении биологических исследований. Поэтому плазменный синтез наноструктур, обеспечивающий высокую производительность, короткое время роста наноструктур и низкую стоимость, набирает большую популярность. В рамках этого метода ученые генерируют электрический разряд в газе, что приводит к формированию плазмы. При температурах выше 1000 °C исходный материал испаряется, и его частицы, оседая в охлажденных участках установки, формируют наноструктуры. Однако контролировать высокое качество и идентичность наноструктур довольно сложно. Поэтому ученые разрабатывают физико-математические модели, позволяющие прогнозировать свойства плазмы при синтезе наноструктур, а также оптимизировать установки для синтеза.
Ученые из Ученые из Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева — КАИ создали модель, описывающую процессы, которые протекают при генерации электрического разряда в аргоне или гелии. В качестве материала электродов — отрицательно заряженного катода и положительно заряженного анода — исследователи выбрали графит. Модель показала, что в гелии установка разогревается до температуры, достаточной для испарения графитового анода. В аргоне графит не испаряется. Однако по мере увеличения плотности тока температура анода в аргоне становится около 3227–3727 °C. В таких условиях начинается испарение углерода с анода в аргоновой среде.
Атомы и молекулы различных веществ обладают разным потенциалом ионизации. Результаты моделирования показали, что, испаряясь, материал электрода начинает участвовать в плазмохимических реакциях: образуются возбужденные частицы и ионы углерода. При увеличении тока разряда авторы обнаружили, что происходит смена основного иона плазмы в разряде в гелии и в аргоне. Иными словами, ионы углерода начинают преобладать над ионами аргона и гелия. При этом в гелии такой процесс происходит скачкообразно, а в аргоне плавно. Затем исследователи сравнили данные по скорости испарения, рассчитанные с помощью модели, с теми, которые были получены другими учеными ранее в ходе экспериментов. Результаты почти полностью соответствовали, что говорит о достоверности полученных расчетных данных.
Таким образом, модель может использоваться для разработки современных плазмохимических реакторов и предсказания условий для оптимального синтеза наноструктур.
«При разработке модели, с одной стороны, у нас был фундаментальный интерес. Мы хотели проследить, как ведет себя разряд, как меняются свойства плазмы при испарении материала электрода в разрядный промежуток. С другой стороны, разработанная модель оказалась удобным прогностическим инструментом. Можно достаточно быстро провести параметрический анализ по вкладываемой мощности в разряд, межэлектродному расстоянию, давлению газа и так далее и определить оптимальные условия для синтеза углеродных наноструктур. Сейчас мы уже усовершенствуем нашу модель с учетом различных типов материала электродов, нарабатываем базу по учитываемым элементарным процессам и разрабатываем реальные плазменные установки на основе нашей модели», — рассказывает Алмаз Сайфутдинов, доктор физико-математических наук, доцент Казанского национального исследовательского технического университета имени Туполева — КАИ.
Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
