В НИТУ «МИСиС» создали новый материал для высокотехнологичных производств

Методика была проверена на примере алмазных нанокластеров, статья об исследовании опубликована в журнале Carbon. Существует целый ряд высокотехнологичных областей, для которых требуются материалы с высокими механическими характеристиками. Зачастую кандидатами на эту роль выступают наноразмерные материалы. Механическую жесткость материала обычно принято характеризовать его упругими модулями.

Однако в случае наноразмерных материалов как экспериментальное измерение, так и теоретический расчет упругих модулей сталкиваются с фундаментальной проблемой неопределенности объема на таком масштабе. Это можно проиллюстрировать следующим примером: при измерении механических свойств нанотрубок требуется информация о ее поперечном сечении, что сразу же приводит к вопросу о толщине стенки нанотрубки.

Значение этого параметра по порядку величины равно радиусу атома, что приводит к погрешностям в соответствующих измерениях. 
Ученые НИТУ «МИСиС» изучили данную проблему теоретически (методами моделирования на атомном уровне) и нашли способ усовершенствовать формулу вычисления жесткости наноматериалов, исключив из нее переменную объема и заменив ее на коэффициент средней жесткости связи между атомами.

В отличие от упругих модулей, этот параметр поддается однозначному определению, так как не требуется знания объема структуры. Также он позволяет характеризовать жесткость всей структуры в целом. Идея модификации формулы возникла в процессе изучения алмазных нанокластеров – мельчайших алмазных частиц размером в несколько нанометров, не соединенных в единый кристалл.

«Для определения уровня жесткости материала требуется знать объем кристалла. Однако когда речь идет о вычислениях на атомарном уровне, возникает проблема в определении объема отдельного атома в кристаллической решетке. Многие научные группы пытались определить жесткость алмазных нанокластеров через вычисление объема, и каждый раз получался новый результат.

Мы же пошли по иному пути – модифицировали формулу определения жесткости материала, полностью исключив такую «плавающую» переменную, как объем», – комментирует доктор физико-математических наук, научный руководитель инфраструктурного проекта «Поиск и предсказание новых низкоразмерных структур и исследование их физико-химических свойств» лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Павел Сорокин.

Используя улучшенную методологию, ученые установили, что алмазные нанокластеры, как и предполагалось, имеют большую механическую жесткость по сравнению с цельным кристаллом алмаза. Подобный новый материал сможет найти свое применение в целом ряде высокотехнологичных областей, в том числе в микросистемной электронике, ядерной промышленности, а также при изготовлении режущего, бурового и абразивного инструмента. 

НИТУ МИСИС

67 статей

Университет науки и технологий МИСИС — это ведущий вуз в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов; первый в стране, получивший статус «Национального исследовательского технологического университета». Первое место в России и ТОП-100 в мире в рейтинге QS Materials Science за 2023 год. В университете действуют 45 научно-исследовательских лабораторий и 3 научных центра мирового уровня. В состав НИТУ МИСИС входят 8 институтов, 4 филиала в России и 2 за рубежом.

Показать больше