Ученые ПГУ разработали новый способ исследования поверхности наноматериалов
Ученые Пензенского государственного университета (ПГУ) разработали и запатентовали новый способ исследования свойств поверхности наноматериалов с неоднородной пористой средой. Подобные материалы составляют основу газовых сенсоров и промышленных фотокатализаторов. Предложенный способ позволит сделать диагностику этих элементов точнее и эффективнее.
Газовые сенсоры применяются повсеместно — в химической и горнодобывающей промышленности, для диагностики утечек бытового газа, в автомобилестроении. Порой от них зависит не только эффективность работы, но жизнь и здоровье людей. Например, такой датчик может спасти десятки жизней в шахтах, уловив содержание опасного газа метана в воздухе. Экологический мониторинг на вредных производствах также проводится с их помощью. Не менее широко используются и фотокатализаторы — в очистных системах, химической, фармацевтической промышленности, в промышленной сфере, быту.
«Мы предлагаем способ исследования свойств наноматериалов, заключающийся в оценке пористости покрытий с неоднородной поверхностью. Этот способ может найти применение в диагностике свойств синтезируемых материалов за счет измерения относительного изменения сопротивления и затем расчета размера пор по предложенным уравнениям», — рассказала один из авторов разработки, ведущий научный сотрудник межкафедральной научной лаборатории «Перспективные наноматериалы, покрытия и устройства электроники» ПГУ, кандидат технических наук Надежда Якушова.
По словам ученых, пористость играет большую роль при диагностике свойств материалов. Разработанный способ позволит исследовать пористость материала относительно простым методом. Полученная информация дает представление об организации поверхности, наличии или отсутствии пор, удельной площади и других его свойств. Зная эту информацию, можно предсказать, как будет реагировать покрытие на газы и воду в атмосфере.
«На примере газовых сенсоров мы знаем, что на чувствительность и селективность прибора может оказать влияние множество факторов. Пористость — один из таких факторов, который может существенно повлиять на чувствительность хеморезистивного чувствительного элемента», — подчеркнул еще один автор исследования, ведущий научный сотрудник той же лаборатории, кандидат физико-математических наук Андрей Карманов.
Применяемые в настоящее время способы измерения удельной поверхности материалов основаны на применении теории адсорбции и связаны с воздействием сорбируемых газов, например азота. Еще один распространенный метод — метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). При его реализации создается так называемый «гибкий зонд», проникающий в поры. Однако все эти способы довольно трудоемкие и имеют свои ограничения.
Ученые ПГУ предлагают измерять сопротивление материала при воздействии на него паров воды. Концентрация жидкости подобрана учеными специальным образом. Они также вывели специальную формулу для расчета среднего размера субнанопор. Предложенный способ позволяет определить поры размером менее 2 нм, не прибегая к сложному процессу.
«Предлагаемый способ интересен тем, что определение пористости поверхности можно проводить в одном процессе измерения вместе с определением, например, чувствительности элементов газового сенсора», — рассказала Надежда Якушова.
Способ проверили на большом массиве данных. Исследователи верифицировали свыше 10 серий образцов, в каждой из которых от 5 до 10 экземпляров. Результаты проверки показали эффективность предлагаемого способа для определения среднего размера субнанопор в иерархических материалах, полученных методом золь-гель технологии на основе оксида цинка.
По мнению исследователей, новая технология будет востребована в химической, фармацевтической промышленности и в лабораториях нанодиагностики.