Ученые нашли способ создания наноструктурированных материалов нового поколения
Исследователи НИТУ МИСИС и Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН провели исследование, открывающее перспективы для создания наноструктурированных материалов нового поколения на основе гексагонального нитрида бора для применений в агрессивных средах, например, аэрокосмической технике или катализаторах для химической утилизации углекислого газа.
Стойкость к окислению является ключевой характеристикой гексагонального нитрида бора. Этот материал выдерживает экстремальные температуры и обладает высокой механической прочностью. Его используют в качестве защитного покрытия, компонента устройств, работающих в агрессивных средах, а также как основу для создания каталитически активных металлических наночастиц для химической утилизации углекислого газа. Однако в подобных катализаторах при нагреве наночастицы постепенно слипаются, теряя форму. При этом уменьшается рабочая площадь, что приводит к снижению эффективности каталитической системы.
«Гексагональный нитрид бора долгое время рассматривался исключительно как инертный материал подложки, который не участвует в каталитической реакции. Мы задались вопросом: можно ли использовать дефекты его структуры для регулирования поведения наночастиц и повышения эффективности работы катализатора? Выяснилось, что метод контролируемого окисления формирует на поверхности материала углубления, которые фиксируют частицы и не дают им слипаться при повышении температуры», — рассказал один из авторов исследования, старший научный сотрудник НИЦ «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС, кандидат технических наук Антон Конопацкий.
«Дефекты на поверхности меняют характер взаимодействия наночастиц и их форму. Вместо привычных сфер мы наблюдаем вытянутые структуры, которые врастают в дефекты. При этом, решающую роль играет глубина дефекта — если окисление затрагивает два слоя, частица фиксируется значительно прочнее, чем при одном. Так мы можем управлять микрорельефом, а это напрямую влияет на каталитическую эффективность», — объяснил директор научно-исследовательского центра «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС, доктор физико-математических наук Дмитрий Штанский.
Чтобы объяснить такое необычное поведение частиц, авторы провели компьютерное моделирование с применением методов машинного обучения. Использование нейросетевых потенциалов позволило установить, как именно будут двигаться частицы металла при нагреве. Виртуальный эксперимент показал: на гладкой подложке две соседние частицы сливаются в классическую сферу, тогда как в «бороздке» атомы металла образуют прочную, вытянутую структуру, которая надежно фиксируется краями дефекта.
Работа выполнена при грантовой поддержке Минобрнауки России и Российского научного фонда.