Томские электрофизики применили плазму тлеющего разряда для получения востребованных нанопорошков металлов
Ученые из Института сильноточной электроники СО РАН с помощью тлеющего разряда атмосферного давления получили ультрадисперсные порошки оксидов магния, индия, цинка и молибдена, востребованные в биомедицине, а также при производстве полупроводников и литий-ионных аккумуляторов. Для этого была сконструирована энергоэффективная лабораторная установка, мощность которой сопоставима с мощностью обычной лампочки накаливания. Исследования выполняются при поддержке РНФ (проект № 22-19-00265).
Тлеющий разряд – это тип газового разряда, который характеризуется постоянной плотностью тока на катоде и может функционировать в атмосфере различных газов и в широком диапазоне давлений. Плазменные устройства на его основе работают в основном при пониженных давлениях, для чего требуются средства вакуумной откачки, один или два насоса.
– Долгое время считалось, что при высоких давлениях, близких к атмосферному, этот тип разряда реализовать практически невозможно, так как из формы тлеющего разряда он перейдет в форму дугового разряда, для которого характерны совершенно другие механизмы эмиссии электронов с катода, а также происходит интенсивная эрозия электродов. Новизна нашей работы заключается в том, что, оставаясь все время в режиме тлеющего разряда при атмосферном давлении, можно получать не только газовую плазму, но и плазму, содержащую ионы и атомы металлов, – рассказывает руководитель проекта, старший научный сотрудник лаборатории плазменных источников ИСЭ СО РАН кандидат технических наук Константин Савкин.
Серия экспериментов по генерации ионов и атомов металлов в тлеющем разряде при атмосферном давлении была проведена на специальной установке, созданной совместно с коллегами из лаборатории оптических излучений, где имеются быстродействующие устройства для регистрации оптического излучения с высоким временным и пространственным разрешением.
На фото (слева направо): старший научный сотрудник лаборатории оптических излучений к.ф.-м.н. Дмитрий Белоплотов, старший научный сотрудник лаборатории плазменных источников к.т.н. Константин Савкин, заведующий лабораторией оптических излучений к.ф.-м.н. наук Дмитрий Сорокин
Разрядная камера, являющаяся основой установки, оснащена специальным катодом, который выполняет роль тигля, куда как в крошечный сосуд закладывается стружка металла (рабочее тело), атомы которого планируется получить в результате действия разряда. Катод-тигель и рабочее тело помещаются во внутренний объем разрядной камеры, продуваемый инертным газом (гелий или аргон) при атмосферном давлении. При горении разряда вблизи поверхности катода-тигля создаются такие тепловые условия, при которых заложенный в него материал начинает плавиться, чуть-чуть выступая из катода-тигля вследствие расширения его объема. В результате тонкий слой паров материала, содержащий атомы металла, увлекается потоком инертного газа.
Этот атомарный поток поступает в плазму, меняя характеристики ее оптического излучения. Например, возбужденные в плазме атомы магния светят насыщенным зеленым, а цинк излучает красивым ярко-синим цветом. Далее атомы выносятся в окружающую атмосферу за пределы разрядной камеры через отверстие в аноде. В воздухе происходит их окисление, и формируются наночастицы оксидов металлов размером от нескольких единиц до нескольких десятков нанометров, которые затем слипаются в более крупные хлопья нанопорошка.
Форма и элементный состав ультрадисперсных нанопорошков зависят от сорта рабочего газа и металла, закладываемого в катод-тигель. Так, порошки оксидов магния состоят из частиц, представляющих собой гексагональные пластины размером от нескольких единиц до нескольких десятков нанометров. Частицы оксида цинка имеют вытянутую форму в виде «нано-иголок» или «нано-ремней» с длиной до 200 нанометров. Наночастицы оксида индия представляет собой кубики размером от 7 до 23 нанометров. Такие кубики могут объединяться с другими в протяженные кристаллы, своеобразные «нано-усы» длиной до 1 миллиметра и диаметром 15 нанометров.
Такие нанопорошки востребованы в биомедицине, их добавляют в биоразлагаемые полимеры при создании композитных материалов для наращивания костных тканей. Они используются при производстве полупроводников: оксид магния является отличным термостойким изолятором, а оксиды цинка и индия – широкозонными проводниками, применяемыми в качестве датчиков излучения и состава газовой среды. В 2024 году ученым удалось получить порошки оксида тугоплавкого металла – молибдена. Спектр их применения весьма широк: они способны подавлять рост раковых клеток, а также востребованы в составе анодов литий-ионных аккумуляторов, при создании датчиков оптического излучения и химического состава газовых сред.
© Пресс-служба ТНЦ СО РАН
