КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 21-72-00116

НазваниеПолучение наночастиц различных форм с использованием лазерной абляции металлов в жидкости и последующего старения коллоидного раствора

РуководительПряхина Виктория Игоревна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2023 

Конкурс№60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словананоструктуры, нанокристаллы, форма наночастиц, лазерная абляция, коллоидный раствор, наночастицы оксидов металлов

Код ГРНТИ29.19.22

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку универсального подхода к созданию несферических форм наночастиц методом лазерной абляции твердой мишени в жидкости с контролем температуры. Управление формой, размерами и структурой нанообъектов, является ключевым фактором для создания функциональных наноструктур. Форма наночастиц зависит от их состава и кристаллической структуры, что определяет их свойства. При лазерной абляции твердого вещества в жидкости возникающие в месте облучения неравновесные процессы могут приводить к образованию зародышей метастабильных фаз, в результате роста которых образуются нанокристаллы характерной формы. Рост несферических наночастиц в жидкости при лазерной абляции обеспечивается пресыщением раствора вблизи области взаимодействия лазерного луча с поверхностью твердого тела. Создаваемые в результате лазерного облучения ионы/атомы/кластеры/частицы могут вступать в реакцию с молекулами жидкости и термические эффекты могут применяться для контроля синтезируемых наночастиц. Несмотря на возможность значительно варьировать параметры лазерной абляции в жидкости и влиять таким образом на создаваемый продукт, систематических исследований широкого спектра материалов не проводилось. Основная цель проекта заключается в создании условий лазерного синтеза, которые обеспечат рост наночастиц в растворе, и сохранение полученных наночастиц после окончания синтеза. Сохранение стабильности коллоидного раствора, как и возможность контролируемо изменять его свойства при старении, необходимы для дальнейшего практического использования. Лазерная абляция в жидкости обладает такими ключевыми преимуществами, как свобода получаемого продукта от посторонних химических примесей, простота реализации, сравнительная экологичность (снижение вероятности распространения наночастиц в окружающую среду при производстве). Наночастицы в дальнейшем могут использоваться как непосредственно в коллоидном растворе, так и в высушенном или осажденном на подложку виде. Возможность комбинировать материал мишени и жидкость позволяет синтезировать большое разнообразие наночастиц: от простых элементов до различных соединений и сплавов. Элементы металлов и их оксиды актуальны для многих областей применений, так как обладают биологической активностью, оптическими, электрическими, магнитными или полупроводниковыми свойствами, используются в различных видах катализа. Многие металлы способны к образованию нескольких форм оксида, а процессы окисления могут происходить в том числе и в воде, что делает их подходящими объектами. Проект направлен на выявление физико-химических закономерностей получения и стабильности несферических форм наночастиц оксидов металлов при использовании лазерной абляции металлических мишеней в воде и дополнительного температурного воздействия: Будут исследованы изменение формы, размера и состава синтезируемых наночастиц в зависимости от параметров лазерного облучения (мощность, энергия лазерного пучка, плотность и частота импульсов) и сопутствующего нагрева, предварительной подготовки поверхности мишени; а также исследован процесс старения коллоидного раствора при нормальных условиях и изменении температуры.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта будет разработана методика синтеза различных форм наночастиц, основанная на физико-химических закономерностях процессов окисления и роста нанокристаллов при лазерной абляции металлических мишеней (Mn, Cu, Zn, Pb) в воде. Будут получены оптимальные параметры импульсного лазерного облучения и температура жидкости для контроля формы, размера и состава наночастиц; данные о стабильности коллоидных растворов с полученными наночастицами. Достигнутые результаты могут быть использованы для дальнейшего исследования свойств и практического применения наночастиц. Различие форм наноструктур, которое в пределах соединений одного материала достигается за счет изменений состава и структуры, существенно отражается на их свойствах. Для дальнейшего взаимодействия с коллоидным раствором требуется понимание процессов, происходящих с наночастицами в жидкости при определенном внешнем воздействии. Исследование поведения наночастиц в коллоидном растворе в зависимости от изменения температуры имеет важное практическое значение для биологических и медицинских применений, электрохимии и других, где требуется предсказуемое поведение компонент в условиях, меняющихся некритическим образом. В связи с этим развитие доступных способов синтеза таких наноструктур и достижение их стабильности является актуальной современной задачей. Кроме того, выявление и описание закономерностей образования различных форм наночастиц ряда оксидов металлов при общих условиях синтеза и старения имеет фундаментальную значимость для развития теории формирования кристаллических микро и наноструктур.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Ключевая цель исследования заключается в создании условий лазерного синтеза с использованием абляции твердой металлической мишени в жидкости, которые обеспечат рост наночастиц в растворе, и сохранение получаемых наночастиц для возможности дальнейшего взаимодействия с ними. Форма, размеры и структура определяют свойства нанообъектов, поэтому их контроль важен для создания функциональных наноструктур. При лазерной абляции твердого вещества в жидкости возникающие в месте облучения неравновесные процессы могут приводить к образованию зародышей метастабильных фаз, в результате роста которых образуются нанокристаллы характерной формы. Проект направлен на выявление физико-химических закономерностей получения и стабильности несферических форм наночастиц оксидов металлов при использовании лазерной абляции металлических мишеней в воде и дополнительного температурного воздействия. На текущем этапе исследования достигнуты следующие результаты: Показано, что в исходных водных растворах, полученных с помощью лазерной абляции, наночастицы Cu и Mn обладали сферической формой. Наночастицы Zn и Pb обладали сферической формой при абляции в изопропиловом спирте, а после абляции в воде имели отличную от сферической форму, обусловленную процессом окисления металла в воде и последующего быстрого роста созданных оксидных зародышей. Показана возможность управления формой наночастиц меди при старении коллоидного раствора при различных температурах. В результате старения исходные наночастицы со структурой металл в оболочке оксида Cu2O окислялись до CuO и увеличивались в размерах. Увеличение температуры позволяло создавать наночастицы веретенообразной формы. Продемонстрировано формирование наночастиц оксида марганца в форме стержней при старении коллоидного раствора при комнатной температуре, и формирование наночастиц оксида цинка в форме стержней при старении при повышенных температурах. Также для коллоидного раствора наночастиц цинка показано образование формы пластин на границе раздела жидкость-воздух, которые росли на гладкой подложке при длительном высыхании капли коллоидного раствора в условиях изменяющейся концентрации.

 

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Подробно исследован состав синтезированных наночастиц и наночастиц с измененной формой после старения методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света, инфракрасной Фурье-спектроскопии, спектрофотометрии оптического пропускания, электронной и рентгеновской дифракции. Исследования морфологии наночастиц дополнены просвечивающей электронной микроскопией. Данные о стабильности коллоидных растворов дополнены измерением дзета-потенциала. Установлены общие закономерности ориентированного роста одномерных наноструктур при старении коллоидных растворов при повышенной температуре за счет продолжающегося окисления и оствальдовского созревания. В случае меди и марганца показано, что изменение формы сопровождалось изменением состава, тогда как в случае цинка полное окисление и начало роста ориентированных структур происходили уже при синтезе за счет значительно отличающихся локальных условий. В случае марганца происходило быстрое окисление как наночастиц, так и поверхности мишени уже в процессе синтеза. Состав исходных частиц представлял собой Mn3O4. При появление в результате старения раствора наноструктур в форме стержней в составе проявлялся MnOOH. Реализован рост наноструктур на основе длительного высыхания капли водного коллоидного раствора с наночастицами цинка. Использовались атмосферы окружающей среды или газов O2, N2, CO2. В этом случае изменение формы также сопровождалось изменением состава и формированием Zn5(OH)6(CO3)2 в присутствие растворенного углекислого газа. Для установления влияния подготовки поверхности мишени также проводились предварительная очистка в плазме (аргон, кислород) и предварительное удаление поверхностного слоя с помощью так называемого очистного прохода лазерной абляции. Подобного ранее установленному влиянию предварительной подготовки мишени Pb на получаемые наноструктуры в случае d-элементов Zn, Cu, Mn не выявлено. Это объясняется недостаточной толщиной создаваемого слоя относительно аблируемого материала мишени (для наносекундных импульсов), в общем объеме созданных наночастиц. Таким образом наиболее значимое влияние оказали внешние, относительно лазерных параметров, условия – жидкость для синтеза (а именно вода) и ее температура. Для лазерной абляции более эффективно происходило окисление созданных наночастиц в воде. Наночастица размером несколько десятков нанометров может быть окислена полностью (оболочка и ядро), тогда как оксидный слой на поверхности мишени конечен и не оказывал значительного влияния относительно объема аблируемого материала и локальных условий в области взаимодействия.

 

Публикации

1. Пряхина В.И., Лисьих Б.И., Лебедев В.А., Тофал С.А.М., Шур В.Я. Temperature controlled morphology transformation during aging of colloidal copper nanoparticles produced by laser ablation in water Materials Today Communications, vol. 35, p. 105939 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.105939

2. Пряхина В.И., Рахматова Р.Р., Лисьих Б.И. Tuning of nanostructures growth after laser ablation of Zn in water Proceedinds of the 2023 IEEE 24th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), - (год публикации - 2023)

3. Лисьих Б.И., Пряхина В.И., Шур В.Я. Shape transformation of copper nanoparticles in water colloid during aging Тезисы докладов IX Международной молодежной научной конференции Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2022, Екатеринбург, 16-20 мая 2022 г., стр. 238-239 (год публикации - 2022)

4. Пряхина В.И., Лисьих Б.И., Лебедев В.А., Саид Тофал, Шур В.Я. Transformation of crystalline copper oxide nanoparticles in colloid produced by laser ablation in water Abstract Book of International Symposium FLAMN-22, St. Petersburg, Russia, June 27-30, 2022, стр. 92 (год публикации - 2022)

5. Пряхина В.И., Лисьих Б.И., Рахматова Р.Р., Логачева Б.А., Шур В.Я. Изменение формы наночастиц при старении коллоидного раствора, созданного лазерной абляцией металлических мишеней в воде Сборник тезисов IV семинара «Современные нанотехнологии» (IWMN-2022), Екатеринбург, 24-27 августа 2022 г., стр. 66 (год публикации - 2022)

Возможность практического использования результатов
не указано