В ФИАНе сконструирована и запущена установка для получения наноразмерных материалов на основе металлов и их оксидов. Материалы в дальнейшем найдут применение как компоненты оптически активных материалов, органо-неорганических композиционных материалов различного назначения, например, лакокрасочных и полиграфических материалов, сорбентов в устройствах для очистки воды, а также для создания новых систем диагностики и лечения различных заболеваний. Автор работы Н.А. Булычев награжден премией Правительства Москвы молодым ученым.

    Получение частиц нанометрового размера (1 нм = 10⁻⁶ мм) является перспективным направлением современной науки, так как подобные материалы проявляют особые свойства, не характерные для макроскопических частиц. В отделе люминесценции ФИАН под руководством ведущего научного сотрудника, доктора химических наук Николая Алексеевича Булычева создана система для получения наноразмерных материалов в акустоплазменном разряде.

    Акустоплазменный разряд – само по себе необычное, мало изученное на данный момент физическое явление. Чтобы его наблюдать, в жидкость (например, в воду) погружаются электроды из материала, частицы которого необходимо получить. К ним прикладывается напряжение, вызывающее пробой, и из электродов начинают вылетать частицы. Не все из них долетают до противоположного электрода, некоторые охлаждаются по пути и образуют нужный нам материал. В то же время на область между электродами оказывается интенсивное ультразвуковое воздействие, генерируемое специальным излучателем. Ультразвук должен быть настолько сильным, чтобы в жидкости начала происходить кавитация.

     Кавитация – явление, проявляющееся при распространении интенсивных звуковых волн в жидкостях.

    «Каждый плавал в море и видел, что такое продольное волна: волнуется море, и в такт ему колеблются растения на дне. Звук – тоже продольная волна, и при большой интенсивности звуковых колебаний в фазе разрежения в толще воды появляются разрывы, полости. Эти "пузырьки" схлопываются и порождают вторичную ударную волну, которая как раз и может дробить твердое вещество на частицы. Кавитация очень опасна для гребных винтов кораблей и насосов, так как может их разрушать, однако ученые смогли поставить ее на службу науке – кавитация сделала возможным получение мелких частиц с необычными свойствами», – объясняет Николай Алексеевич.

    Диспергирование (измельчение) частиц ультразвуком – хорошо известный метод получения наноматериалов, однако совмещение режима кавитации с плазменным разрядом – новаторский подход ученых ФИАНа. Кавитация превращает жидкость в особую среду, занимающее промежуточное положение между жидкостью и паром, а значит, меняет ее электрические свойства. Соответственно, получаемые частицы обладают особыми свойствами. Химические методы дают возможность создать частицы более правильной формы, а вот поверхность частиц, полученных в акустоплазменном разряде, является «дефектной» из-за взрывного характера процесса кавитации. Такая поверхность позволяет получать особые оптические свойства: «дефекты» в веществе светятся гораздо ярче, чем однородная поверхность. Кроме того, поверхность полученных в акустоплазменном разряде частиц «активирована», т. е. лучше взаимодействует с другими частицами и соединениями, что дает возможность синтезировать новые вещества, например, комбинировать органические и неорганические составляющие. Разработанный метод позволяет получать наночастицы металлов и оксидов металлов, в том числе благородных, различные формы углерода (например, популярные сегодня нанотрубки и нановолокна), а также частицы типа «ядро-оболочка», в которых внутренняя и внешняя части состоят из различных соединений.

Спектры фотолюминесценции наночастиц оксида вольфрама, полученных в плазменном разряде под действием ультразвука: черный график – в присутствии кавитации, красный – без кавитации. При равных концентрациях частиц, интенсивность излучения от материала, полученного в присутствии кавитации, значительно больше

    Спектр применения получаемых наночастиц крайне широк. Они могут быть использованы в оптике при создании современных светоизлучающих устройств, например, перестраиваемых источников излучения высокочастотного, терагерцового диапазона – это локаторы, детекторы аэрозолей, сканеры, или люминофоров, устройств оптической памяти, квантовых генераторов и детекторов ионизирующего излучения. В медицине – для направленного воздействия на клетки. Было показано, что наночастицы могут внедряться в раковые клетки и уничтожать их под действием слабого ультразвука. Медицина вообще может стать одним из главных потребителей наноразмерных материалов: наночастицы, взаимодействуя с белками крови, способны влиять на ход различных реакций в организме, что может быть использовано для ранней диагностики и предупреждения болезней.

    Описанный метод получения наночастиц может применяться и в непрерывном потоке жидкости. Частицы, образуемые при воздействии разряда и ультразвука на поток, а также сопутствующие процессу ультрафиолетовое излучение и электрическое поле обладают способностью уничтожать в воде вредные микроорганизмы. В результате сотрудничества Н.А. Булычева и ученых из Чили, технология плазменной очистки была внедрена в этой латиноамериканской стане, где нехватка чистой воды является серьезной проблемой для населения.

     Наконец, стоит отметить, что в процессе протекания акустоплазменного разряда активно разлагается жидкая среда, и, если она состоит из водородсодержащих молекул, то синтезируется и выделяется газообразный водород. При этом есть два важных преимущества – относительно высокий энергетический КПД и возможность использования в качестве жидких сред сырья очень низкого качества – вода с примесями органики, спирты, фенолы, альдегиды, их смеси и эмульсии. В свете роста популярности водорода как «зеленого топлива» подобный способ его получения также представляет большой интерес.

    «Явление акустоплазменного разряда интересное, многообещающее, и его возможности далеко не исчерпаны», – говорит Николай Алексеевич. – «Сейчас одна из ближайших задач, которую я вижу, это создание методики синтеза наночастиц смешанных оксидов металлов, где кристаллическая решетка состоит из атомов разных металлов и кислорода. Такие соединения весьма сложно синтезировать традиционными методами, а они очень перспективны при создании новых люминесцентных керамик различного назначения, например, источников УФ-излучения в практически значимом диапазоне с высоким квантовым выходом. Так что будем работать, и, как говорилось в фильме "Бриллиантовая рука" про премию: "Дай Бог – не последняя!"».

Н.А. Булычев рядом с установкой по очистке воды,
работающей на основе предложенной им технологии

К. Кудеяров, АНИ «ФИАН-информ»

____________________

От редакции.

1. Иллюстративные материалы предоставлены Н.А. Булычевым.

2. Дополнительно Вы можете ознакомиться с результатами исследований в публикациях:

1) A.S. Averyushkin, A.N. Baranov, N.A. Bulychev, M.A. Kazaryan, A.D. Kudryavtseva, M.A. Strokov, N.V. Tcherniega, K.I. Zemskov. Stimulated Low Frequency Raman Scattering in Cupric Oxide Nanoparticles Water Suspension. Optics Communications, 2017, Vol. 389, p. 51-53.

2) N.A. Bulychev, M.A. Kazaryan, A.S. Averyushkin, A.A. Chernov, A.L. Gusev. Hydrogen Production by Low-Temperature Plasma Decomposition of Liquids. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, Vol. 42, 20934-20938.

3) A.E. Erokhin, I.V. Smetanin, S.M. Mikhailov, N.A. Bulychev. Spectral shifts of stimulated Rayleigh – Mie scattering in Ag nanoparticle colloids, Optics Letters, 2018, Vol. 43. I.7, p.1593.