Фуллерены из электрической дуги

Во многих отраслях науки и техники сегодня используются нанотехнологии, позволяющие создавать самые разные объекты (частицы, молекулярные комплексы и даже целые устройства), размер которых в миллионы раз меньше миллиметра. Например, в медицине наномасштабные объекты используются для доставки лекарств, в материаловедении — для синтеза легкоуправляемых, или так называемых умных, материалов, в микроэлектронике — для создания миниатюрных процессоров и запоминающих устройств.

Одним из наиболее перспективных методов создания наноструктур считается плазменный синтез с помощью дугового разряда. Этот подход заключается в том, что нужный ученому нанообъект «собирается» из отдельных атомов или молекул с помощью неравновесной плазмы — газа, насыщенного заряженными частицами. Чтобы обогатить газ такими частицами, то есть ионизировать, используют электроды (например, графитовые) — элементы, между которыми протекает электрический ток. Когда ток, поступая от одного электрода к другому, проходит через газ, возникает разряд, по форме напоминающий дугу. Эксперименты показали, что этот газовый разряд сильно нагревает поверхности электродов, из-за чего с них испаряются частицы углерода. На их основе можно синтезировать различные наноструктуры: углеродные нанотрубки, наносферы (фуллерены) и тонкие листы графена, используемые в электронике и биомедицине. Однако до сих пор оставалось неясным, какие условия синтеза — сила тока, размер электродов, межэлектродное расстояние, давление и сорт газа — оптимальны для сборки углеродных нанообъектов из отдельных частиц.

Параметры дугового разряда: (сверху) вольтамперная характеристика, зависимости температуры поверхности электродов, (снизу) концентрации различных типов частиц в зависимости от плотности тока

Nanomaterials, 2023

Ученые из Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева — КАИ разработали самосогласованную физико-математическую модель, наиболее полно описывающую процесс создания дугового разряда в двух инертных газах — аргоне и гелии. Авторы смоделировали ситуацию, когда в газ поместили два графитовых электрода (положительно и отрицательно заряженный), а затем подавали на них постоянный ток, постепенно увеличивая вкладываемую мощность в разряд. Численные расчеты позволили исследователям определить режим газового разряда, при котором становится возможным синтезировать в нем углеродные наноструктуры. Дело в том, что, согласно модели, газовый разряд по мере увеличения силы подаваемого на электроды тока проходит три последовательные стадии, лишь одна из которых подходит для синтеза.

Сначала в пространстве между электродами образуются только заряженные частицы буферного газа — ионы аргона или гелия. Затем, по мере нагревания электродов, с них начинают испаряться нейтральные атомы и молекулы (димеры и тримеры) углерода. Они также ионизируются в плазме дугового разряда. По мере дальнейшего увеличения силы тока происходит смена плазмообразующего иона. Другими словами, доминирующим становится ион углерода вместо гелия или аргона. Испаренные в разрядный промежуток частицы углерода, а также их ионы, попадая в области с низкой температурой газа и на подложки, способны объединяться между собой и формировать сложные наноструктуры.

Соответствие результатов моделирования экспериментальным данным

Nanomaterials, 2023

Таким образом, модель позволяет точно подобрать силу тока, давление газа, размер электродов и межэлектродное расстояние, чтобы максимально быстро добиться условий горения разряда, при которых синтез углеродных наноструктур будет наиболее эффективным.

«Предложенная модель привлекательна не только с фундаментальной, но и с прикладной точки зрения. С одной стороны, она позволяет глубже понять природу такого классического объекта, как дуговой разряд. С другой стороны, модель поможет повысить скорость и эффективность плазменного синтеза наноструктур, поскольку с ее помощью ученый сможет заблаговременно рассчитать и спрогнозировать оптимальные условия процесса. В дальнейшем мы планируем наработать как теоретическую, так и экспериментальную базу по оптимальным условиям синтеза различных типов наноструктур — углеродных, (включая наноалмазы), кремниевых, германиевых и металлических», — рассказывает Алмаз Сайфутдинов, руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanomaterials.

По материалам пресс-службы РНФ