Исследователи Тверского государственного университета (ТвГУ) освоили управление наночастицами в сплаве, состоящем из никеля, меди, железа и кобальта.
Это позволит создавать наноматериалы с заданными характеристиками для электроники, медицины, сенсоров и датчиков, а также для авиации и космических технологий.
«Основной задачей было выяснить, как атомы никеля, меди, железа и кобальта распределяются в наночастицах, как меняется их структура при тепловом воздействии и как размер частиц влияет на их устойчивость. Понимание механизмов сегрегации и фазовых переходов дает возможность целенаправленно разрабатывать наносплавы с необходимыми свойствами, а не подбирать их экспериментально», — пояснили в вузе, добавив, что речь идет о наночастицах размером всего 10–30 нанометров — меньше вирусов. Несмотря на их микроскопические размеры, внутри таких частиц происходят сложные процессы: атомы различных металлов перераспределяются, образуют новые фазы и формируют устойчивые структуры, которые определяют характеристики материала.
Ученые исследовали частицы, содержащие от 2 тыс. до 10 тыс. атомов, применяя экспериментальные методы (рентгеноструктурный анализ и электронную микроскопию с элементным анализом) в сочетании с компьютерным моделированием на атомном уровне — методами молекулярной динамики и Монте-Карло. «Эксперимент показал, что наночастицы имеют в основном гранецентрированную кубическую структуру с добавлением hcp-фазы (гексагональная плотноупакованная структура). Внутри частиц образуется устойчивая архитектура “ядро-оболочка”: медь активно обогащает поверхность частиц (до 25–30%) — это энергетически выгодно; никель и железо формируют прочное внутреннее ядро; кобальт занимает промежуточное положение, частично находясь в ядре, частично — в оболочке», — уточнили эксперты.
Расчеты показали, что с увеличением размера наночастиц повышается температура плавления, снижается поверхностная энергия и изменяется характер кристаллизации при быстром охлаждении. «От того, где располагаются атомы различных элементов, напрямую зависят характеристики материала: каталитическая активность, магнитные свойства, термическая стабильность и устойчивость к коррозии», — добавили в пресс-службе.
Отмечается, что такие наносплавы открывают новые горизонты для высокоэффективных катализаторов в химической промышленности, функциональных магнитных наночастиц для электроники и медицины, сенсоров и датчиков, высокоэнтропийных сплавов для авиации, космоса и энергетики, элементов перспективных электронных и квантовых устройств. «Исследование демонстрирует высокий уровень фундаментальных и прикладных исследований ТвГУ в области материаловедения и нанофизики и показывает, как изучение процессов на атомном уровне открывает путь к технологиям будущего», — отметил и.о. ректора ТвГУ Дмитрий Беспалов.
Фото: hi-tech.mail.ru