Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Исследование примесной подсистемы детонационного наноалмаза для получения композиционных металлоалмазных и биофункциональных материалов

Отношение к критическим технологиям:
Нанотехнологии и наноматериалы


Контактная информация

Название организации
ФГБОУ ВПО "Алтайский государственный университет"


ФИО руководителя организации
Землюков Сергей Валентинович


Юридический адрес
656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61


Почтовый адрес
656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61


ФИО руководителя проекта:
Плотников Владимир Александрович


Аннотация проекта

Постановка и описание научной или научно-технической проблемы, решаемой в рамках Проекта
Изучение примесной подсистемы детонационного наноалмаза, представляющего совокупность наноалмазного ядра и примесной оболочки для активизации эффектов самоорганизации и самосборки за счет проведения реакций с адсорбированными гетероатомами и молекулярными комплексами при термическом воздействии в широком интервале температур.


Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым
Экспериментальные исследования по теме данного проекта проведены с использованием современных установок для анализа структуры, элементного и молекулярного состава примесной подсистемы детонационного наноалмаза в Томском материаловедческом центре коллективного пользования при Томском государственном университете. Структура и элементный состав примесной подсистемы детонационного наноалмаза определен с помощью системы с электронным и сфокусированным ионным пучками «Quanta 200 3D», исследования рентгеновского диффузионного фона провели с рентгеновском дфрактометре «Shimadzu XRD 6000», комплекс для термического анализа в составе: прибор синхронного ТГ-ДТА/ДСК анализа STA 409 PC Luxx, совмещенный с инфракрасным Фурье-спектрометром TENSOR 27 и квадрупольным масс-спектрометром QMS 403 CF. Экспериментальный уровень полученных результатов сопоставим с мировым, а по ряду методических подходов опережает мировой уровень, позволивших исследовать динамику процесса десорбции летучих молекулярных кластеров и сформулировать идеологию примесной подсистемы детонационного наноалмаза. Проведенные исследования позволили решить ряд фундаментальных проблем физики конденсированного состояния. Идеология примесной подсистемы детонационного наноалмаза позволяет рассматривать ее как необходимый атрибут системы. Это требует при всех экспериментальных манипуляциях в первую очередь рассматривать именно примесную подсистему. Фактически примесная подсистема определяет основной набор физико-химических свойств детонационного наноалмаза. Игнорирование примесной подсистемы в ряде исследований (Сенють В.Т., Мосунов Е.И. Исследование физико-механических свойств нанокристаллических материалов на основе ультрадисперсных алмазов // ФТТ. 2004. Т. 46. № 4. С. 746-748) не позволяет достигнуть поставленных целей, например, получить компактный поликристаллический наноалмазный агрегат с высокими прочностными свойствами Из работ отечественных исследователей к решаемой нами проблеме имеют отношения труды: Долматов В.Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза: свойства и применение //Успехи химии. 2001. Т. 70. № 7. С. 687-708; Кулакова И.И. Химия поверхности наноалмазов // ФТТ. 2004. Т. 46. № 4. С. 621-628; Кощеев А.П. Термодесорбционная масс-спектроскопия в свете решения проблемы паспортизации и унификации поверхностных свойств детонационных наноалмазов // Российский Хим. Журнал, 2008, т. LII,№ 5, с. 88-96, в которых констатируется негативные свойства примесей. Богатырева Г.П., Маринич М.А., Забуга В.Я. и др. Влияние модифицирования поверхности нанодисперсных алмазов на их термостойкость // Сверхтвердые материалы. 2008. № 5. С. 26-32, где сделаны попытки менять набор примесей детонационного наноалмаза для решения ряда прикладных задач. Проводимые авторами проекта исследования представляют собой новый шаг в направлении анализа роли примесной подсистемы детонационного наноалмаза в формировании его свойств, целенаправленной модификации примесной подсистемы для достижения необходимых свойств наноалмазного вещества для использования в биологических исследованиях и для получения композиционных металлоалмазных материалов.


Новизна подхода в решении обозначенной проблемы
Полученные результаты по этапу 2013г. являются абсолютно новыми. Во-первых, установлен широкий спектр как примесных элементов, так и молекулярных кластеров, связанных с алмазным ядром как сильными, так и слабыми связями. Во-вторых, характер диффузного рассеяния рентгеновского излучения свидетельствует о сложно организованной примесной подсистемы детонационного наноалмаза, формирующий диффузный фон. Экспоненциальная зависимость диффузного фона от угла рассеяния свидетельствует об изотропности распределения по поверхности алмазного наноядра молекулярных комплексов, в матрицу которых погружены наночастицы детонационного алмаза. В-третьих, учет примесной подсистемы детонационного наноалмаза в экспериментальных и технологических манипуляциях обязателен. Примесная подсистема обязательный атрибут наноалмаза, поэтому в экспериментах мы можем лишь осуществить модификацию примесной подсистемы для достижения оптимальных экспериментальных или технологических результатов. Основные результаты опубликованы в рецензируемых журналах, в частности «Фундаментальные проблемы современного материаловедения», подготовлена статья в журнал «Письма в Журнал технической физики». Сделан доклад на 54 международной конференции «Актуальные проблемы прочности».


Описание области применения результатов научно-исследовательской работы
Композиционные материалы, в качестве адсорбентов биологически активных веществ, в качестве антифрикционных материалов


Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту, полученные ранее результаты, разработ
Коллектив исполнителей имеет большой опыт в проведении комплексных, структурных исследований в области фундаментального физического материаловедения по теме проекта. Проведены исследования примесной подсистемы детонационного наноалмаза. Установлено, что примесная подсистема представляет собой набор молекулярных кластеров и химических элементов, находящихся в разных структурных состояний. Примесные атомы представлены химическими элементами: кислород, алюминий, кальций, кремний, железо, медь, хром. Молекулярные кластеры представлены летучими соединениями как-то: кислород, азот, водород, вода, метан, сероводород, диоксид серы, углекислый газ. Показано, что в ходе термического воздействия наблюдается десорбция летучих примесей в широком интервале температур: вода - в интервале температур 40 - 200 градусов С; метан - в интервале 180 - 320 градусов С; сероводород выделяется до 480 градусов С; диоксид серы - в интервале 200 - 580 градусов С; углекислый газ - в интервале 500 - 820 градусов С; кислород десорбируется в температурном интервале 530 - 780 градусов С; азот - в интервале 690 - 820 градусов С; водород - 680 - 90 градусов С. Результаты исследования были опубликованы в виде статей: «Биосовместимая примесная подсистема детонационного наноалмаза» // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 4.7.1 2011. No 4. С. 54-59 и «Десорбция примесей при нагреве детонационного наноалмаза» // Письма в ЖТФ, 2012, т. 38, No 4, с. 89- 95. Проведены предварительные работы по созданию объемных наноструктурных материалов на основе нанокристаллического детонационного алмаза и порошковых p- и d-металлов, исследованы процессы консолидации нанокристаллов алмаза в поликристаллический агрегат, исследованы условия аномального роста наноструктурной компоненты алмаза до макроскопических размеров в условиях структурирования кристаллической среды. Результаты были опубликованы в статьях: «Влияние алюминия на взаимодействие нанокристаллов детонационного алмаза при высокотемпературном отжиге» // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. No 10. С. 73-79; «Влияние синтеза интерметаллических соединений на процессы роста и консолидации нанокристаллов детонационного алмаза» // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. No 20. С. 10-18. Кроме того, проведены обширные исследования по темам, близким к тематике проекта. Это работы по созданию защитных и упрочняющих покрытий с обширной диффузионной зоной такие как: никель-алюминиевые на алюминии и его сплавах; тантал-железо на сталях, вольфрам- железо на сталях., исследованы процессы формирования обширной диффузионной зоны в ходе реакционной диффузии. Результаты были оформлены в виде патентов РФ: «Способ получения покрытий» No 2002854 от 15.11.1993 г. и «Способ получения жаропрочного покрытия из вольфрама или тантала», No 2437960 от 27.12.2011 г. А также проведены исследования процессов формирования тонкопленочных структур и многослойных тонкопленочных систем. Изучены процессы структурной релаксации в многослойных тонкопленочных системах, основным из которых является реакционное взаимодействие на границах раздела, приводящее к формированию наноструктурного, монофазного тонкопленочного объекта. На примере систем Ni-Al, Cu-Sn и др. изучены кинетические характеристики реакционной диффузии в тонкопленочных системах. Результаты были опубликованы в виде статей: «Кинетические и структурные параметры твердофазного синтеза в тонкопленочных бинарных системах» // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2009. No2. С. 114-122; «Релаксационные процессы в бинарных тонкопленочных системах Al–Nb, Ge-Nb, Sn-Nb» // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2009. No 4. С. 14-19. Проведены экспериментальные исследования фундаментальных аспектов диссипации свободной энергии (в том числе и акустической) в процессах структурных и фазовых превращений в металлических материалах. Полученные результаты по оригинальности и новизне не уступают зарубежным аналогам, а ряд методических подходов при выполнении исследований превосходят мировой уровень. Результаты исследования нашли свое отражение в многочисленных статьях (около 200), патентах, диссертациях, например, «Акустическая эмиссия и проявление неустойчивости кристаллической решетки при высокотемпературной деформации алюминия» // Известия вузов. Физика. 2011. No 3. С. 47-54; «Аномальный акустический эффект при термоупругих мартенситных превращениях в никелиде титана в условиях действия реактивных напряжений» // Материаловедение. 2009. No 3. С. 2-6. В основе проведённых работ лежит концепция самоорганизации и самосборки наносистемных материалов, развиваемая в коллективе. Результаты работ неоднократно были представлены на международных конференциях: Нанофорум 2009, Москва 5-9 октября 2009 г. - Плотников В.А., Макаров С.В. "Наноструктурный металлоалмазный композиционный материал" и Плотников В.А., КуцевМ.Г., Макаров С.В. "Выделение ДНК с помощью детонационного наноалмаза", Первая международная конференция "Развитие нанотехнологий: задачи международных и региональных научно-образовательных и научно-производственных центров"- доклад Плотникова В.А., Макарова С.В. "Примесная подсистема детонационного наноалмаза" и доклад Плотникова В.А., Макарова С.В., Олимова М.Г. "Обширная диффузионная зона на границе раздела титан - алюминий"


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
-


Перечень международных, федеральных, региональных и муниципальных конкурсов, в которых проект был признан победителем
-


Текущая стадия разработки проекта
Научно-исследовательская работа


Патентная чистота научно-технического задела, его защищенность
Имеются патенты


Тип научно-исследовательской работы
Поисковые проблемно-ориентированные исследования


Описание основных ожидаемых научных результатов
Будут проведены исследования процессов сорбции-десорбции примесей детонационного наноалмаза, установлены закономерности и температурные интервалы десорбции молекулярных кластеров летучих соединений и их влияние на процессы консолидации наночастиц детонационного алмаза и на процессы сорбции - десорбции биологически активных веществ и биополимеров. Проведены исследования процессов модификации примесной подсистемы детонационного наноалмаза для использования в качестве сорбентов биологически активных веществ.


Ожидаемая научная, научно-техническая продукция
Путём структурирования кристаллической среды, за счёт синтеза интерметаллических соединений (в системе Ni-Al), будет получен опытный образец металлоалмазного композита


Срок реализации Проекта (месяцев)
24


Необходимый объем финансирования (тыс. руб.)
800


Ключевые слова

Физика твердого тела


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-