В ТГУ выращивают «кошачьи усики»

Нановискеры – это такие микроскопические нанокристаллы, способные облегчить жизнь человека и принести пользу в быту.

Нановискеры (от англ. nanowhisker – наноусы) – это одномерные объекты, которые образуются в соответствии с механизмом их роста, например, по принципу «пар-жидкость-кристалл», относятся к наноматериалам и интересны своей необычной структурой и свойствами. Они очень маленькие, рассмотреть их можно только под специальным микроскопом, где вместо света используется поток электронов.

Вискеры встречаются в природе, они могут быть опасными загрязнителями, например, волокна асбеста, а самопроизвольное образование вискеров на поверхности таких металлов, как цинк или олово, может привести к коротким замыканиям и нарушениям работы электрооборудования. Однако у этих частиц больше положительных свойств: например, нанокристаллы микронного размера активно используются в качестве армирующих волокон для придания конструкционным композитным материалам улучшенных механических свойств. Вискеры также впитывают на себя загрязнения из жидкости, эти структуры можно использовать в качестве сорбента – некий аналог фильтра – у них хорошие механические свойства, высокая реакционная способность.

В научно-исследовательском отделе №5 «Металлические материалы с пространственно-градиентной структурой» Тольяттинского государственного университета (ТГУ) провели исследование нановискеров оксидов меди – добыли кристаллы целенаправленно путем термической обработки медных покрытий микрочастиц. Ученые из ТГУ выяснили, что, если влиять на рост таких нанокристаллов, можно улучшить качество поверхности, которая выглядит как лес вискеров. Для этого сотрудники кафедры «Нанотехнологии, материаловедение и механика» ТГУ совместно с коллегами из ведущих университетов страны сделали электронную просвечивающую микроскопию поперечных срезов, то есть фактически сделали тонкий срез этого кристалла, как колбасу на ломтики, и обнаружили, что кроме моно- и бикристаллов встречаются и более сложные – поликристаллы. Об их существовании ранее не было известно.

– Работ про оксиды меди вискеров очень много, впервые об их получении сообщили в 40-х годах прошлого века, с тех пор ведется активное исследование кристаллов. Мы провели фундаментальное исследование именно внутренней структуры, нам хотелось понять, как устроены вискеры, что они из себя представляют, – рассказал руководитель испытательного центра наноматериалов ТГУ Максим Дорогов.

Чем же вискеры могут нам помочь? В лаборатории ТГУ, в рамках эксперимента, испытатели наноматериалов добавили вискеры в литиево-ионные аккумуляторы и, после почти годового этапа исследования, обнаружили, что благодаря хорошим механическим свойствам вискеры позволяют сохранять емкость аккумуляторов.

Как продлить жизнь аккумулятору? В современном мире это очень актуальный вопрос. У всех аккумуляторов существует одна и та же проблема – ограниченный срок службы. Со временем, если их чаще заряжать, ёмкость падает и приходится заряжать ещё чаще, тем самым затрачивая на это больше времени и сил. Нановискеры продлевают жизнь аккумулятору, будь то батарейка в мобильном телефоне или 30-килограммовый аккумулятор в автомобиле. Также нанокристаллы значительно уменьшают время подзарядки.

– Сейчас мы знаем почти все о структуре вискеров, – поделился Максим Дорогов, – Она может влиять на механические и электронные свойства. В данный момент вискеры растут хаотично, будет идеально, если нам удастся сделать так, чтобы все кристаллы росли в одном направлении, так как наибольший интерес представляют упорядоченные массивы прямых кристаллов. Из нашего эксперимента мы выяснили, что эти уникальные наночастицы имеют свойство впитывания загрязнений из влаги и поэтому их можно использовать в качестве сорбента. Применение нановискеров позволит не только экономить энергию аккумуляторов, но и очищать воду от загрязнений.

Результаты исследований и научных экспериментов ученых Тольяттинского госуниверситета, а также их коллег из Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики и из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук описаны в научной статье «Нановискеры оксида меди. Получение, особенности структуры, свойства и их применение» в высокорейтинговом журнале категории Q1 «Materials Science and Technology», входящим в первый квартель среди всех журналов, то есть топ-25% международной базы данных научных журналов "Web of Science".

– Здесь мы описали структуру вискеров, именно эта работа очень важна, – отметил Максим Дорогов, – Чтобы понимать, как растут нанокристаллы, как они устроены – это поможет изменять технологию их выращивания.

Сейчас ученые продолжают проводить исследования вискеров и направлять их на продление жизни различных устройств. В следующей статье, которая уже написана совместно с коллегами из Университета Флориды и Флоридского государственного университета и отправлена на публикацию, ученые рассказывают более подробно о поведении вискеров в литиево-ионных аккумуляторах, показывают какая структура кристаллов была до введения в аккумуляторы и смотрят, как и в какую сторону она меняется в процессе работы.

Текст: Анастасия Забарова