Создание новых материалов — одно из основных направлений современных нанотехнологий. В число первостепенных научных задач входит создание материалов с заранее заданными свойствами. Учеными Южно-Уральского государственного университета разработана теоретическая модель, позволяющая определить параметры нанокомпозита с желаемыми характеристиками.
Проект «Электрофизические свойства нанокомпозиционных материалов» стал победителем конкурса «Научная перспектива», реализованного в рамках Проекта 5-100. Научным руководителем является доктор физико-математических наук, профессор Александр Яловец. О свойствах разработанных материалов и возможностях их применения рассказала автор проекта, аспирант Института естественных и точных наук Наталья Дюрягина.
«В настоящее время нанокомпозиты используют во всех областях науки и техники, и потребность в создании новых функциональных материалов, а также в исследовании их электрофизических свойств постоянно растет. Нанокомпозиционные материалы получают путем внедрения в него наноразмерных частиц. В зависимости от того, какие материалы мы выбираем в качестве включения и матрицы, мы получаем новый функциональный материал с уникальными свойствами. Эти свойства зависят от размера, концентрации и формы наночастиц. Экспериментальных работ в данной области очень много, однако корректной теоретической модели, которая бы учитывала все процессы, происходящие в этом сложном материале, сейчас еще нет, — отмечает Наталья Дюрягина. — Цель моей работы — создать такую теоретическую модель. С помощью нее можно будет предугадывать свойства того или иного нанокомпозита либо подбирать параметры, необходимые для создания определенного материала с желаемыми свойствами».
Проект посвящен исследованию двух нанокомпозиционных материалов: это полиметилметакрилат с включением сульфида кадмия и оксид алюминия с включением оксида стронция. Первый материал используется в создании различных оптоэлектронных, фотогальванических устройств, а также новых элементов для систем телекоммуникации (например, полупроводниковые фотоприемники). Необходимо учесть возможность использования таких устройств в условиях повышенной радиации. Оксид алюминия и нанокомпозиты на его основе, напротив, являются чувствительными к поглощенной дозе ионизирующего излучения и применяются в дозиметрии.
«Выбор полиметилметакрилата обусловлен его прозрачностью к видимому и ближнему УФ-диапазону (т. е. диапазону ультрафиолетового излучения), а также высокими электроизоляционными и физико-механическими свойствами. Полиметилметакрилат сам по себе радиационно неустойчив, однако при внедрении наночастиц сульфида кадмия получается радиационно устойчивый нанокомпозит. Это позволяет применять его в ядерной энергетике, в производстве устройств и оборудования для космоса. Работоспособность таких устройств не будет зависеть от фона радиационного излучения. Это одна из главных задач, поставленных нами. Вторая задача связана с тем, что оксид алюминия сам по себе чувствителен к радиационному излучению. Его, а также нанокомпозиты на его основе используют в дозиметрии. На данный момент я пытаюсь узнать, как именно влияет включение наночастиц на чувствительность материала к радиационному излучению, и определить наиболее оптимальные параметры нанокомпозита».
Полупроводниковые наночастицы, такие как сульфид кадмия, способны светиться в широком диапазоне длин волн. Размерозависимые свойства наночастиц связаны с квантоворазмерными эффектами, которые тем сильнее выражены, чем меньше размер наночастиц. Однако, для максимальной реализации их оптических свойств необходимо защитить наночастицы от химического воздействия окружающей среды и изолировать их друг от друга. Для этого наночастицы внедряют в полимерные матрицы.
«Сейчас нет такой модели, которая предупреждала бы радиационные свойства, радиационную электропроводность или спектр люминесценции нанокомпозитов, — отмечает Наталья Дюрягина. — Наши исследования основаны на системе уравнений Роуза-Фаулера. Мы разработали эффективный метод решения данной системы уравнений, и этот метод решения уже можно применить для нанокомпозитов, т. е. учесть включение наночастиц. Данное научное исследование позволит оптимизировать выбор параметров нанокомпозитов (материалы матрицы и включений, размер и концентрация включений) с целью получения нового материала с заданными свойствами. Исследуя два нанокомпозита, которые используются для абсолютно противоположных задач, мы обнаружили закономерности формирования радиационной проводимости нанокомпозиционных материалов в зависимости от мощности и длительности ионизирующего облучения, размера и концентрации включений».
В настоящее время разработанная теоретическая модель позволяет определить радиационную электропроводность чистого материала и нанокомпозита, а также электропроводность необлученного материала. Следующим этапом реализации проекта станет совершенствование модели для получения спектров термо- и фотолюминесценции нанокомпозиционных материалов. Именно по данным спектрам в экспериментах определяют поглощенную дозу ионизирующего излучения.