Лаборатория синтеза новых материалов

Заведующий лабораторией, д.ф.-м.н. Смовж Дмитрий Владимирович

Лаборатория организована в рамках проекта создания новых молодежных лабораторий в декабре 2018 года.

В состав лаборатории входят 16 человек, в том числе 1 доктор и 5 кандидатов наук.

Научный коллектив лаборатории имеет обширный экспериментальный опыт синтеза углеродных наноструктур (фуллеренов, нанотрубок, нановолокон, графена), металлических наночастиц на углеродной матрице с узкой функцией распределения по размеру, методами электродугового распыления и термического осаждения из газовой фазы. Плазмо-активированного синтеза углеродных наноструктур в тлеющем разряде на свободных частицах катализатора и на подложках с нанесенным катализатором. Методиками аттестации морфологии и электрофизических характеристик наноструктур, такими как ПЭМВР, СЭМ, КР, ТГА, РФА, СТМ, АСМ. Технологиями манипуляции углеродными и композитными наноструктурами, создания на основе углеродных наноструктур функциональных элементов. Опыт теоретических исследований процессов формирования наноструктур из газофазных и жидких прекурсоров, описания процессов зародышеобразования новой фазы и последующего роста наночастиц в различных метастабильных системах. Разработки теоретических моделей тепломассообмена при фазовых превращениях, включая процессы кристаллизации, кипения, гидратообразования и др. Коллективом были разработаны новые модели фазового превращения в различных физических системах, получены новые аналитические решения. Имеется опыт численного моделирования различных задач тепломассообмена и фазовых превращений.

Тематика лаборатории

• Получение новых материалов на основе углеродных наноструктур и композитов углерод-металл/полупроводник.
• Разработка теоретических моделей формирования наноструктур по механизму «снизу-вверх» при самосборке из отдельных атомов и кластеров в неравновесных условиях и плазме.
• Разработка теплофизических моделей, описывающих тепломассообмен в устройствах наноэлектроники.

Наиболее интересные результаты 

На базе ИТ СО РАН была реализована технология синтеза графена методом ХОГФ на меди при атмосферном давлении из метана. Была исследована карта режимов формирования однослойных и несколькослойных графеновых покрытий в широком диапазоне параметров (давление, температура, состав газовой смеси). Исследовано влияние кристаллической структуры медной фольги на процессы формирования графеновых покрытий и адгезию графена к подложке  В дальнейшем накопленный опыт работы с системой ХОГФ был использован для разработки реактора рулонного типа для непрерывного синтеза графена. Параллельно работам по развитию технологи ХОГФ синтеза велись работы по развитию применений графена. Отрабатывались режимы переноса графена с каталитической медной поверхности на различные подложки, т.к. большинство применений требуют прозрачных и/или диэлектрических подложек. Были исследованы основные механизмы деформации графеновых слоев при переносе графена на полимер с механическим разделением и развит механический метод переноса графена на полимер ПЭТ/ЭВА, позволяющий сохранять медную подложку для ее дальнейшего использования. Разработана теоретическая модель конвективного теплообмена поликристаллической графеновой пленки с внешней атмосферой, экспериментально исследованы режимы теплообмена композитов ПЭТ/ЭВА-графен при плотностях теплового потока до 10 кВт/м2. Результаты исследований процессов теплообмена графеновой поверхности с газовой и жидкой средами легли в основу разработанных технологий производства нагревателя и термоакустического преобразователя на основе графена.

Развиты основы электродуговой конверсии метана в нанокристаллический углерод. Предложена технология электродугового синтеза графена с наночастицами SiC и технология получения композита MnO – углерод (с высоким содержанием графена) для материалов электродов суперконденсаторов. Развиты технологии электродугового синтеза полых наночастиц оксидов алюминия и магния, с использованием данных нанчастиц были созданы наножидкости с высокой теплопроводностью. Впервые предложен механизм для описания теплопроводности наножидкостей, связанный с уменьшением потоков тепла на границе частица – жидкость вследствие температурного скачка Капицы. Впервые экспериментально зарегистрировано влияние теплового сопротивления Капицы на теплопроводность наножидкостей. Впервые аналитически решена задача о теплопроводности суспензий на основе сферических частиц в оболочке. Аналитически решены две задачи, связанные с теплообменом между сферической частицей и жидкостью с учетом теплового сопротивления Капицы с различными граничными условиями. Показано, что определяющим параметром процессов теплообмена в наножидкостях является безразмерный параметр, включающий в себя размер частицы, теплопроводность базовой жидкости и величину контактного сопротивления между жидкостью и материалом частицы. Впервые предложен критерий подобия тепловых процессов в наножидкостях.

Экспериментально зарегистрировано уменьшение вязкости наножидкости на основе смеси этиленгликоля и воды и наночастиц Al2O3 с увеличением скорости сдвига. Обнаружено, что эффект увеличивается с ростом объёмной концентрации наночастиц. Разработан cпособ синтеза магнитной жидкости на основе воды и магнитных наночастиц на углеродной матрице.

Обнаружено формирование графена при дуговом распылении кремний-графитового электрода. Предложен механизм формирования графена, основанный на каталитическом росте на наночастицах карбида кремния, формирующихся в процессе охлаждения кремний-углеродного пара, при электродуговом синтезе.

Экспериментально продемонстрирована возможность синтеза полых наночастиц оксидов алюминия и магния в электрической дуге.

Показано, что адсорбция молекул воды из газовой среды приводит к изменению гидрофильности поверхности меди с нанесенным графеновым покрытием. Образцы, достигшие насыщения, устойчивы к вакуумированию и нагреву. Восстановление свойств графеновых покрытий происходит при отжиге в атмосферах Ar и Н2 при температурах выше 873 K.

Показано, что при непосредственном контакте графена с водой происходит изменение ширины запрещенной зоны в графене, что приводит к увеличению его удельного сопротивления. Определены характерные времена релаксации удельного сопротивления при погружении графена в воду и последующей сушке. По температурной зависимости удельного сопротивления оценены значения ширины запрещенной зоны, возникающей в графене при контакте с водой. На основе анализа данных молекулярно-динамического моделирования предложен возможный механизм открытия запрещенной зоны в графене. Предложено принципиальное устройство датчика потока с использованием графенового слоя в качестве чувствительной матрицы.

Оборудование и возможности

• Магнетронное напыление материалов
• Создание графеновых покрытий на различных материалах (металл, стекло, полимер)
• Синтез наночастиц и их композитов с наноструктурированным углеродом

Международное сотрудничество

Участие в коллаборации со Школой Химии (Эдинбургский университет) по направлению "Теплообмен в системах с фазовыми переходами".

Участие в коллаборации с Лабораторией тепловых систем и энергоэффективности (ЦЛ СЭНЭИ - Болгарской академией наук) по направлению "Синтез наночастиц, создание и исследование наножидкостей на их основе".

Участие в коллаборации с Белорусским государственным университетом (Лаборатория физики электронных материалов кафедры физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета БГУ) по направлению «Синтез и характеризация электрических и сенсорных свойств гетероструктур графен/оксиды олова»

Публикации

1. I. V. Antonova, N. A. Nebogatikov, S. V. Erohin, V. A. Prenas, D. V. Smovzh, E. A. Suprun, V. A. Volodin, A.Olejniczakf, P. B. Sorokin. Nanostructuring of CVD graphene by high-energy heavy ions Diamond and Related Materials Volume 123, March 2022, 108880/
2. S.Y.Misyura, V.A.Andryushchenko, D.V.Smovzh, V.S.Morozov. Experimental data and modeling of wettability on graphene-coated copper//Materials Science and Engineering: B Volume 277, March 2022, 115588
3. Misyura S. Y. et al. The effect of textured surface on graphene wettability and droplet evaporation //Journal of Materials Science. – 2022. – С. 1-13.
4. Dmitry V. Smovzh, Salavat Z. Sakhapov, Alexey V.Zaikovskii, Evgeny V.Boyko, Olga A.Solnyshkina Arc discharge sputtering model of Mg–Al–C anode for the nanoceramics production. Vacuum Volume 196, February 2022, 110802
5. V Andryushchenko, D Sorokin, M Morozova, O Solnyshkina, D Smovzh Graphene-polymer composite conductivity in air and water //Applied Surface Science 2021, V. 567, P. 150843. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.150843
6. SY Misyura, VA Andryushchenko, DV Smovzh, VS Morozov Graphene wettability control: texturing of the substrate and removal of airborne contaminants in the atmosphere of various gases Journal of Molecular Liquids, 2021, P. 118116. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.118116
7. Smovzh, Dmitry; Kostogrud, Ilya; Boyko, Evgeny; Matochkin, Pavel; Pilnik, Andrey Joule heater based on single-layer graphene" Nanotechnology, 2020, 14;31(33):335704. doi: 10.1088/1361-6528/ab8ded.
8. Iurchenkova A.А., Fedorovskaya Е.О., Matochkin P.Е., Sakhapov S.Z., Smovzh D.V. Supercapacitor behavior of carbon‐manganese oxides nanocomposites synthesized by carbon arc. Int J Energy Res. 2020. Vol. 44. P. 10754-10767. DOI:10.1002/er.5721
9. Dmitry V. Smovzh, Salavat Z. Sakhapov, Alexey V. Zaikovskii, Svetlana A.Chernova, Sergey A. Novopashin. Formation mechanism of MgO hollow nanospheres via calcination of C-MgO composite produced by electric arc spraying. Ceramics International, 2019, V.45, Iss.6, P.7338-7343. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.01.017
10. 10. Vins, V.G., Yelisseyev, A.P., Smovzh, D.V., Novopashin, S.A. Optical properties of CVD single crystal diamonds before and after different post-growth treatments. Diamond and Related Materials Volume 86, June 2018, Pages 79-86. Impact factor 2,43. DOI: 10.1016/j.diamond.2018.04.022
11. Dmitry V. Smovzh, , Ilya A. Kostogrud, Salavat Z. Sakhapov, Alexey V. Zaikovskii, Sergey A. Novopashin. The synthesis of few-layered graphene by the arc discharge sputtering of a Si-C electrode. Carbon. Volume 112, February 2017, Pages 97–102.
12. M.A. Serebryakova, A.V. Zaikovskii, S.Z. Sakhapov, D.V. Smovzh, G.I. Sukhinin, S.A. Novopashin. Thermal conductivity of nanofluids based on hollow γ-Al2O3 nanoparticles, and the influence of interfacial thermal resistance. International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 108, Part B, May 2017, Pages 1314-1319. Impact Factor 2.857. http://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.12.098.
13. Kostogrud, I.A., Trusov, K.V., Smovzh, D.V. Influence of Gas Mixture and Temperature on AP-CVD Synthesis of Graphene on Copper Foil Advanced Materials Interfaces, 2016, V.3 (8), P.1500823. Impact Factor 4.13 (scopus). DOI: 10.1002/admi.201500823.
14. Dmitry V. Smovzh, Salavat Z. Sakhapov, Alexey V. Zaikovskii, Sergey A. .Novopashin. “Morphology of aluminium oxide nanostructures after calcination of arc discharge Al–C soot” // Ceramics International. – 2015, – 41, – P. 8814–8819. Impact Factor 2.85 (scopus). DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.03.110.
15. R.V. Gulyaev , E.M. Slavinskaya , S.A. Novopashin , D.V. Smovzh , A.V. Zaikovskii , D.Yu. Osadchii , O.A. Bulavchenko , S.V. Korenev , A.I. Boronin. Highly active PdCeOx composite catalysts for low-temperature CO oxidation prepared by plasma-arc synthesis Applied Catalysis B: Environmental, Volume 147 - Amsterdam: Elsevier B.V., 2014. Pages 132–143
16. Dmitriy V. Smovzh, Vasiliy A. Maltsev, Staffan Dittmer,Vladimir I. Zaikovsky, Eleanor E.B. Campbell and Oleg A. Nerushev. In situ bulk electrophoretic separation of single walled carbon nanotubes grown by gas phase catalytic hydrocarbon decomposition. Chem. Vap. Deposition2010, 16, р. 225-230.

Патенты

1. Установка для получения нанокристаллического углерода и водорода, Зайковский А.В., Смовж Д.В., Новопашин С.А. Патент на полезную модель RU 125183 U1, 27.02.2013. Заявка № 2012124429/05 от 13.06.2012.
2. Способ синтеза наноструктурного композиционного сео2-pdo материала, Новопашин С.А., Смовж Д.В., Зайковский А.В., Мальцев В.А. Патент на изобретение RU 2532756 C1, 10.11.2014. Заявка № 2013130200/04 от 01.07.2013.
3. Способ синтеза полых наночастиц γ-AL2O3, Новопашин С.А., Зайковский А.В., Смовж Д.В., Калюжный Н.А. Патент на изобретение RU 2530070 C1, 10.10.2014. Заявка № 2013119014/02 от 23.04.2013.
4. Способ синтеза порошка суперпарамагнитных наночастиц FE2O3, Новопашин С.А., Смовж Д.В., Зайковский А.В. Патент на изобретение RU 2597093 C1, 10.09.2016. Заявка № 2015125031/05 от 25.06.2015.
5. Способ синтеза наночастиц диоксида титана, Новопашин С.А., Смовж Д.В., Зайковский А.В., Сахапов С.З. Патент на изобретение RU 2588536 C1, 27.06.2016. Заявка № 2014150463/05 от 15.12.2014
6. Установка рулонного типа для синтеза графена, Смовж Д.В., Новопашин С.А., Сахапов С.З., Костогруд И.А. Патент на изобретение RU 2688839 C1, 22.05.2019. Заявка № 2018136448 от 15.10.2018.
7. Способ переноса графена с металлической подложки на полимерный материал, Костогруд И.А., Бойко Е.В., Смовж Д.В. Патент на изобретение RU 2688628 C1, 21.05.2019. Заявка № 2018134620 от 01.10.2018.
8. Дуговой способ получения графена, Смовж Д.В., Новопашин С.А., Зайковский А.В., Сахапов С.З. Патент на изобретение RU 2681630 C1, 11.03.2019. Заявка № 2017146541 от 28.12.2017.
9. Способ изготовления оптического фильтра на основе графена, Смовж Д.В., Бойко Е.В., Костогруд И.А., Маточкин П.Е. Патент на изобретение RU 2724229, 22.06.2020. Заявка № 2019137031 от 19.11.2019.
10. Способ изготовления нагревателя на основе графена, Смовж Д.В., Бойко Е.В., Костогруд И.А., Маточкин П.Е. Патент на изобретение RU 2724228, 22.06.2020. Заявка № 2019137032 от 19.11.2019.
11. Способ изготовления термоакустического излучателя на основе графена, Смовж Д.В., Бойко Е.В., Костогруд И.А., Маточкин П.Е. Патент на изобретение RU 2724227, 22.06.2020. Заявка № 2019137030 от 19.11.2019.
12. Способ синтеза нанокомпозита Mn-O-C, Смовж Д.В., Сахапов С.З., Юрченкова А.А., Федоровская Е.О., Маточкин П.Е. Патент на изобретение RU 2749814, 17.06.2021. Заявка № 2020132019 от 29.09.2020.
13. CVD реактор рулонного типа для синтеза графеновых покрытий на подложках в виде широкой ленты Смовж Дмитрий Владимирович, Маточкин Павел Евгеньевич, Безруков Иван Андреевич, Кривенко Александр Сергеевич Патент №2760676, 29.11.2021.
14. CVD реактор рулонного типа Смовж Дмитрий Владимирович, Маточкин Павел Евгеньевич, Безруков Иван Андреевич, Кривенко Александр Сергеевич Патент № 2762700, 22.12.2021.

Список сотрудников