Тверские ученые научились управлять наносплавами

В Тверском государственном университете найден способ получения наносплавов с заданными свойствами.

Наносплавами называются материалы, в которых на уровне наночастиц сочетаются металлические и неметаллические компоненты. Они могут включать сверхмелкие частицы металлов и полимерные соединения, которые улучшают различные свойства материала. Наносплавы открывают новые возможности в различных отраслях промышленности.

Ученые Тверского государственного университета (ТвГУ) научились управлять наночастицами в сплаве на основе никеля, меди, железа и кобальта. Благодаря этому возможно синтезировать наноматериалы с заданными свойствами для электроники, медицины, авиации и космоса.

Как объяснили в вузе, исследователи хотели узнать, как атомы перечисленных выше металлов распределяются внутри наночастиц, как меняется их структура при нагреве и охлаждении и как размер частиц влияет на их устойчивость.

"Понимание механизмов сегрегации и фазовых переходов позволяет целенаправленно проектировать наносплавы с заданными свойствами, а не подбирать их экспериментально вслепую. Речь идет о наночастицах размером всего 10-30 нанометров - меньше вируса", - рассказали специалисты ТвГУ.

Тверские ученые изучали частицы, содержащие всего от двух до 10 тысяч атомов

Тверские ученые изучали частицы, содержащие всего от двух до 10 тысяч атомов. В своих исследованиях они объединили экспериментальные методы (рентгеноструктурный анализ и электронную микроскопию с элементным анализом) с компьютерным моделированием на атомном уровне.

Внутри наночастиц, несмотря на их малые размеры, происходят сложные процессы: атомы используемых металлов перераспределяются, формируют новые фазы и выстраиваются в устойчивые структуры, определяющие свойства материала.

Эксперимент показал, что наночастицы имеют преимущественно гранецентрированную кубическую структуру с примесью hcp-фазы (гексагональную плотноупакованную структуру).

"Внутри них формируется устойчивая архитектура "ядро - оболочка": медь активно обогащает поверхность частиц (до 25-30 процентов) - ей там энергетически выгоднее; никель и железо формируют прочное внутреннее ядро; кобальт занимает промежуточное положение, частично находясь в ядре, частично - в оболочке", - отметили специалисты.

С увеличением размера наночастиц повышается температура плавления, снижается поверхностная энергия и изменяется характер кристаллизации при быстром охлаждении. От того, где именно располагаются атомы разных элементов, напрямую зависят свойства материала: каталитическая активность, магнитные характеристики, термическая стабильность, устойчивость к коррозии.

Такие управляемые наносплавы открывают новые возможности для высокоэффективных катализаторов в химической промышленности, функциональных магнитных наночастиц для электроники и медицины, сенсоров и датчиков, высокоэнтропийных сплавов для авиации, космоса и энергетики.

Прямая речь

Дмитрий Беспалов, и. о. ректора ТвГУ:

- Исследование демонстрирует высокий уровень фундаментальных и прикладных работ ТвГУ в области материаловедения и нанофизики и показывает, как изучение процессов на атомном уровне открывает дорогу к технологиям будущего.