Ученые получили композитные наночастицы на основе графена и меди с помощью плазменно-химического синтеза. Это простой и легко масштабируемый подход, при котором исходные соединения образуют композитные структуры в плазменной струе. Предложенный метод синтеза может использоваться при производстве теплообменных систем, защищающих электронные устройства от перегрева, поскольку композиты из графена и меди более легкие, прочные, а также обладают более высокой теплопроводностью по сравнению с альтернативой — частой медью. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Surface Science.
Мощность современных электронных устройств с каждым годом растет, из-за чего техника — начиная от обычных смартфонов и заканчивая электродвигателями — может перегреваться. Чтобы этого не происходило, используют медные теплоотводы — элементы, которые распределяют тепло и ускоряют его рассеивание в окружающую среду. Однако существующие медные теплоотводы тяжелые и дорогие, из-за чего их применение ограничено. Альтернативой могут служить композитные материалы состоящие, например, из наночастиц меди и графена.
Существует большое количество способов синтеза металл-графеновых наночастиц, один из которых — плазменно-химический синтез. Этот простой в реализации метод заключается в том, что исходные компоненты композита взаимодействуют при движении в плазменной струе, в результате чего формируются частицы нанометрового размера, ядро которых состоит из металла, а оболочка — из графенового листа. Такие композиты хороши тем, что сочетают в себе свойства металла — например, высокие тепло- и электропроводность, — а также прочность и легкость графена.
Ученые из Института проблем сверхпластичности металлов РАН (Уфа) и Объединенного института высоких температур РАН (Москва) получили композитные частицы на основе меди и графена плазменно-химическим методом и исследовали их структуру. Для получения плазмы авторы использовали плазматрон с электродуговой горелкой из чистой меди. При генерации плазменного потока от медного электрода отделялись наноразмерные частицы меди (размером от 1 до 100 нанометров). Плазменная струя формировалась в смеси двух газов — пропана и бутана, благодаря которым и происходил синтез однослойных графеновых чешуек. Композитные структуры медь-графен образовывались, когда медные наночастицы сталкивались с однослойными графеновыми листами. Авторы изучили полученные структуры с помощью нескольких методов микроструктурного и рентгеноструктурного анализов, позволяющих определить особенности кристаллического строения вещества.
Кроме того, чтобы исследовать механизмы синтеза композитных частиц разной морфологии в плазменной струе, ученые провели моделирование методом молекулярной динамики. Авторы задавали в модели разное направление и скорость движения наночастиц меди (от 0,5 до 9 километров в секунду). Ученые установили, что при относительно низких скоростях движения наночастиц (менее 1 километра в секунду) медь, сталкиваясь с графеновой чешуйкой, прикрепляется к ней; при средних скоростях (от 1 до 5 километров в секунду) — «заворачивается» в графен, точно в фантик; а при высоких скоростях (более 7 километров в секунду) — разрывает графеновый лист, пролетая сквозь него. Таким образом, понимание того, как в ходе эксперимента были получены медь-графеновые наночастицы, позволяет добиться более совершенной морфологии композита при его синтезе в плазменной струе. Хотя это — далеко не простая задача на будущее.
«Предложенный метод синтеза перспективен, поскольку он позволяет довольно простым способом получить композит, который может заменить чистую медь, в первую очередь в области микроэлектроники и теплообменных систем, широко применяемых в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, атомной промышленности и энергетике. В дальнейшем мы планируем изучить физические и механические свойства таких уникальных медь-графеновых композитов. Уже сегодня с помощью атомистического моделирования мы предсказали высокие прочностные свойства таких материалов, что, несомненно, расширит область применения новых медь-графеновых композитов, синтезируемых в плазменной струе», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Карина Крылова, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник молодежной лаборатории «Физика и механика углеродных наноматериалов» Института проблем сверхпластичности металлов РАН.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
