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 22-13-00313

НазваниеФундаментальные основы создания перспективных функциональных наноматериалов

РуководительЖарков Сергей Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет", Красноярский край

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-202 - Химия твердого тела, механохимия

Ключевые словананоматериал, нанослой, наночастица, твердофазная реакция, кинетика, интерметаллическое соединение (интерметаллид), структурные фазовые превращения, in situ исследования, просвечивающая электронная микроскопия, дифракция электронов, синхронный термический анализ

Код ГРНТИ31.15.19

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Функциональные наноматериалы в виде нанослоев и наночастиц широко используются в устройствах микро- и наноэлектроники, фотовольтаики, солнечной энергетике, медицине (диагностика, лечение), при этом достаточно часто при их получении или применении используют твердофазные реакции. Существенной проблемой является исследование механизмов контролируемого воздействия на кинетические особенности твердофазной реакции (температура инициирования реакции, скорость протекания реакции и т.д.) в многокомпонентной наносистеме, при этом далеко не всегда представляется возможным произвести теоретическое моделирование процесса твердофазной реакции, поэтому экспериментальное in situ исследование зачастую является единственной возможностью получить достоверную информацию о механизмах твердофазных реакций. Одним из возможных способов контроля твердофазного взаимодействия в наносистеме может быть использование дополнительных (промежуточных) нанослоев, которые могут выступать в качестве инициатора (индуктора) сопряженной реакции (химической индукции): когда одна реакция между двумя разнородными нанослоями инициирует другую реакцию с третьим слоем. Также промежуточные нанослои могут обеспечить надежный контакт между нанослоями в случае тонкопленочных наносистем, либо между ядром и оболочкой в случае с наночастицами с морфологией "ядро/оболочка". В этом случае промежуточный слой может выполнять различные функции – инициировать сопряженные реакции, либо обладать градиентной (или многослойной) структурой и обеспечивать за счет этого надежный контакт между ядром и внешней оболочкой. Кристаллизация аморфного кремния, инициированная металлами, используется при создании тонкопленочных солнечных элементов, многослойные наноструктуры, могут использоваться для пайки или сварки нанообъектов. Однако в настоящее время не представляется возможным теоретически рассчитать температуру начала твердофазной реакции и последовательность фазообразования в конкретной наносистеме, особенно, в случае когда в реакции участвует более двух химических элементов. Разработка способов и выявление механизмов контролируемого воздействия на процесс твердофазной реакции в многокомпонентных наносистемах позволит получать принципиально новые наноматериалы, обладающие уникальными свойствами и востребованные в различных устройствах микро- и наноэлектроники, фотовольтаики, солнечной энергетике, медицине (диагностика, лечение) и т.д., что является одной из важных и актуальных задач современной химии твердого тела. Научная значимость решения данной проблемы обусловлена как необходимостью развития фундаментальных представлений о влиянии структурных, размерных и интерфейсных эффектов на кинетику твердофазных реакций в многокомпонентных наноматериалах, так и важностью таких материалов для высокотехнологичных областей экономики и медицины. Так, в рамках выполнения данного проекта будет разработан оригинальный метод получения наночастиц со структурой "ядро/оболочка" и с помощью этого метода будут получены уникальные наночастицы с ферромагнитным ядром и оболочкой из золота, перспективные для применения в медицинских целях (для диагностики и лечения заболеваний, в том числе и онкологических). Известно, что наночастицы крайне редко применяют в медицине в чистом виде, как правило, их покрывают биоинертным материалом, в данном случае эту роль играет золото. Научная новизна настоящих исследований заключается в получении новых экспериментальных данных о способах контролируемого воздействия на процесс твердофазной реакции (температура инициирования реакции, скорость протекания реакции и т.д.) в многокомпонентной наносистеме. Будут исследованы тонкопленочные наносистемы, в которых между двумя разнородными наноматериалами (в виде нанослоя и/или наночастицы) присутствует дополнительный промежуточный слой, который выполняет различные функции, например, позволяет инициировать сопряженные реакции, либо обеспечивает соединение между разнородными наноматериалами между которыми отсутствует надежный контакт. Впервые будут проведены эксперименты по инициированию процесса кристаллизации аморфного кремния (a-Si) с помощью сопряженных реакций, что, как ожидается, приведет к существенному понижению температуры начала кристаллизации a-Si. Будет изучен механизм влияния сопряженных реакций на кинетику процесса твердофазной реакции и процесс фазообразования в многослойных тонкопленочных наносистемах, полученных на основе Al/Pt, Al/Pd, и др. Будут разработаны фундаментальные физико-химические основы модификации наночастиц, в том числе с использованием промежуточного слоя (или слоев), обеспечивающего надежный контакт между ядром и внешней оболочкой. Это позволит получать функциональные наночастицы, которые не могут быть получены в настоящее время с помощью традиционных подходов.

Ожидаемые результаты
Будут изучены механизмы кристаллизации аморфного кремния (a-Si), инициированной металлом ("metal-induced crystallization"). Будет исследовано влияние дополнительного (промежуточного) слоя, между слоем металла и кремния, на кинетику процесса взаимодействия между нанослоями металла (Al, Cu, и др.) и аморфного кремния. Роль промежуточного слоя заключается в инициировании сопряженных реакций, когда реакция между двумя разнородными нанослоями инициирует реакцию с третьим слоем, в данном случае это аморфный кремний. Ожидается, что вследствие этого произойдет смещение температуры начала кристаллизации a-Si в сторону более низких температур, по сравнению с использованием одного металла. В результате проведенных исследований будет установлен механизм кристаллизации a-Si, инициированной металлом. Будут получены функциональные наноматериалы, обеспечивающие начало кристаллизации аморфного кремния (a-Si) при существенно более низкой температуре (до 50%), чем используемые в настоящее время, что представляет интерес для микро- и наноэлектроники, а также солнечной энергетики. В случае реализации разработанной технологии это позволит усовершенствовать применяемую технологию производства кристаллического кремния в тонкопленочном состоянии. Данное направление имеет перспективы для патентования и коммерциализации. Будут разработаны фундаментальные физико-химические основы модификации наночастиц, в том числе с использованием промежуточного слоя (или слоев), обеспечивающего надежный контакт между ядром и внешней оболочкой. На основе этого будет создан оригинальный экспериментальный метод модификации наночастиц, позволяющий получать уникальные функциональные наночастицы (декорированные, гибридные, с морфологией "ядро/оболочка(и)"). Метод будет основан на использовании магнетронного испарения в высоком вакууме и позволит получать наночастицы с покрытием несколькими оболочками, в том числе с градиентным распределением химических элементов по толщине конкретной оболочки. Это позволит получать функциональные наночастицы, которые не могут быть получены в настоящее время химическими и другими методами. Разработанный метод будет опробован при получении наночастиц с магнитным ядром и оболочкой из золота, перспективных для применения в медицинских целях (для диагностики и лечения заболеваний). Разработанный метод позволит получать широкий спектр функциональных наночастиц, представляющих интерес для медицины, нанофотоники и многих других областей. В частности, в медицине полученные наночастицы будут перспективны для создания препаратов для адресной доставки лекарств, а также для проведения магнитной гипертермии (локальный нагрев до температуры 41-45°С), применяемой в качестве одного из методов лечения онкологических заболеваний. В результате выполнения проекта будет создана принципиально новая технология модификации наночастиц, которая позволит как усовершенствовать производимые в настоящее время наночастицы, так и получать наночастицы с принципиально новыми свойствами (за счет возможности производства наночастиц, покрытых заранее заданным набором оболочек, а также за счет получения наночастиц, покрытых оболочкой с градиентным распределением химических элементов по толщине оболочки). Данное направление имеет перспективы для патентования и коммерциализации. Будут изучены механизмы экзотермических сопряженных реакций, протекающих в многослойных наносистемах. Исследование будет проведено на системах Al/Pt, Al/Pd, обладающих максимальными для систем типа метал-метал значениями тепловыделения в процессе твердофазной реакции. Сопряженные реакции будут инициироваться с помощью промежуточного слоя (толщиной 1-10 нм), выполняющего активирующую функцию и расположенного между двумя слоями металла (толщина каждого слоя 20-50 нм). В результате проведенных комплексных исследований будут сделаны выводы о механизме влияния промежуточного слоя на механизм твердофазной реакции, а также на процесс фазообразования в многослойных тонкопленочных наносистемах. В результате выполнения исследования будут получены многослойные нанопленки, представляющие практический интерес для микро- и наноэлектроники, MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) систем и др., которые могут быть использованы как локальный источник энергии, например, для сварки однородных, а также разнородных элементов. Данное направление имеет перспективы для патентования и коммерционализации. Выполнение вышеописанных задач, поможет решить проблему разработки способов контролируемого воздействия на кинетику твердофазной реакции в многокомпонентных наносистемах, в том числе с помощью использования дополнительных (промежуточных) нанослоев, которые помогут инициировать сопряженные реакции, когда реакция между двумя разнородными нанослоями инициирует реакцию с третьим слоем. На основании исследований, проведенных при выполнении данного проекта, будут разработаны фундаментальные основы создания перспективных функциональных наноматериалов, сделаны выводы и даны практические рекомендации о потенциальном применении разработанных в ходе выполнения данного проекта перспективных функциональных наноматериалов. На основании результатов, полученных в ходе выполнения данного проекта, будут подготовлены и поданы заявки на получение патентов РФ на изобретение. Полученные в ходе выполнения работы научные результаты будут соответствовать уровню последних мировых достижений в области проводимых исследований и будут опубликованы в рецензируемых высокорейтинговых научных журналах (индексируемых в Web of Science Core Collection, Scopus и относящихся к первому квартилю Q1).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---