Ученые из Казанского национального исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева – КАИ разработали физико-математическую модель, наиболее полно описывающую формирование плазмы в газовой смеси на основе аргона и метана.

Они создали математическую модель, которая определяет идеальные условия для плазменного синтеза различных наноматериалов. Так, «настраивая» температуру, силу тока, напряжение, химический состав плазмы и другие параметры, можно получить наноалмазы, металл-углеродные наночастицы или иные структуры на основе углерода. Подобные наноматериалы востребованы в биомедицине, а также при производстве электроники, и предложенная модель упростит их получение, тем самым расширив применение. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanomaterials.

РНФ, подготовивший пресс-релиз на основе этой статьи, отмечает, что в последние годы для синтеза новых наноматериалов и наноструктур, востребованных в химии, технике и медицине, часто используют плазменный синтез. Это подход, при котором молекулы, необходимые для «сборки» нужного материала, помещают в ионизированный под действием электрического тока газ, называемый плазмой. С помощью плазменного синтеза удается получать разнообразные структуры на основе углерода — нанотрубки, многогранники (фуллерены), листы толщиной в один атом (графен) и другие. Кроме того, метод позволяет синтезировать многокомпонентные функциональные наноматериалы, например, наночастицы, ядро которых состоит из металла, а оболочка — из углерода. Такие наночастицы можно использовать при создании жидкостей с магнитными свойствами, а также систем доставки лекарств. Однако, чтобы получить наноматериалы со строго контролируемыми свойствами, нужно точно знать, как они зависят от условий синтеза — температуры и давления в плазме, силы подаваемого тока и других.

Возвращаясь непосредственно к разработке КНИТУ-КАИ: авторы теоретически рассмотрели два способа создания плазмы. В первом случае в газе электрический разряд протекал между вольфрамовым катодом (отрицательно заряженным элементом) и медным анодом (положительно заряженным элементом). В таких условиях благодаря высокой температуре с поверхности катода вылетают электроны, которые поддерживают электрический ток в газе. Во втором случае оба элемента состояли из меди, а электроны с поверхности катода вырывались под действием уже двух факторов — высокой температуры и высокой напряженности электрического поля.

Ученые КНИТУ-КАИ математически описали процессы, протекающие в газе в обоих случаях, и получили общую модель. Согласно ей, в газовом разряде углеводороды — в частности, изначально входивший в состав газа метан, — разлагаются на чистый углерод и заряженные частицы, радикалы. Кроме того, с медного анода (а также с катода, если он состоит из меди) в плазму испаряются частички этого металла.

При этом в зависимости от условий — силы тока, давления газа, количества метана, размера, химического состава и расположения электродов — медные частицы могут выступать в качестве катализатора, ускоряя рост углеродных наноструктур, таких как наноалмазы, или же служить материалом для металл-углеродных наночастиц. Например, расчеты показали, что при использовании вольфрамового катода преимущественно будут формироваться металл-углеродные наночастицы, а медного — наноалмазы. Такие различия, во-первых, связаны с разным количеством металлических частиц, испаряющихся с поверхности анода, а во-вторых, с тем, что испаряющиеся в плазму частицы металла имеют неодинаковую энергию для взаимодействия с углеродом.

«Разработанная модель привлекательна как с фундаментальной, так и прикладной точки зрения. С одной стороны, она позволяет наиболее детально понять и описать природу дуговых разрядов, учитывая процессы в разрядном промежутке, наблюдаемые при использовании катодов из разных типов металлов. С другой стороны, модель помогает повысить скорость и эффективность плазменного синтеза различных типов наноструктур, поскольку с ее помощью исследователи смогут заблаговременно рассчитать и спрогнозировать оптимальные условия для получения наноалмазов, углеродных, металлических и гибридных наноструктур. В дальнейшем мы планируем усовершенствовать модель в различных направлениях: учесть в ней пространственно-двумерную и трехмерную картины формирования дугового разряда, возможность использовать композитные аноды, состоящие из различных элементов, интересных с точки зрения получения наноструктур, а также принять во внимание конвективные потоки, формируемые в разрядной камере», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алмаз Сайфутдинов, доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики КНИТУ-КАИ.

Напомним, Алмаз Сайфутдинов – самый молодой представитель КНИТУ-КАИ в топовом списке 2% цитируемых ученых мира в Scopus за 2023 год. Сегодня главные темы кафедры, которую он представляет, вращаются вокруг наиболее сложной области современной физики – кинетики электронов. Это позволило ее ученым разработать новые приложения физики газоразрядной плазмы, связанной с синтезом наноструктур, плазмохимией, плазменных устройств для газодинамических задач, а также продвинуться в разработке инновационного компактного газоанализатора. Одним из примеров подобной работы стало рассматриваемое выше исследование – в рамках которого продемонстрировано, как математическая модель может быть использована для получения наноалмазов и металл-углеродных наночастиц в плазме.