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 18 человек, среди них 2 доктора наук, 3 кандидата наук, 2 аспиранта, 7 студентов.

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. 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 модели фазового превращения в различных физических системах, получены новые аналитические решения. Имеется опыт численного моделирования различных задач тепломассообмена и фазовых превращений.

Основные направления исследований лаборатории:

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

Основные результаты

Развиты технологии синтеза однослойного и несколькослойного графена методом термического разложения углеводородов. Развиты технологии масштабного синтеза графена. Исследована эволюция текстуры поверхности меди (М00б) в процессе отжига в условиях, соответствующих синтезу графена из метана. Проведен анализ влияния ключевых параметров синтеза (температура, состав газовой смеси) на параметры графеновых покрытий, полученных методом атмосферного термического осаждения из газовой фазы на меди с использованием метана в качестве источника углерода, аргона и водорода в качестве буферных газов в широком диапазоне параметров. Развиты технологии масштабного синтеза графена.

Развиты теоретические и экспериментальные подходы для определения лиофильности металлических интерфейсов покрытых графеновыми слоями. Определена смачиваемость графеновых покрытий на различных металлах. Показано, что изменение смачиваемости графенового покрытия при выдержке на атмосфере связано с взаимодействием с парами воды. Исследованы защитные свойства графена в агрессивных средах и электромагнитных полях. Предложены аналитические методики оценки устойчивости коллоидных систем на основе наноструктур металл-углерод.

Экспериментально исследовано влияния условий переноса на электрическое сопротивление графен-полимерных композитов. Проведено сравнение проводимости полимер-графеновых пленок, полученных различными методами с использованием ПММА и ПЭТ/ЭВА полимеров.

Предложена теоретическая модель для описания характеристик графенового нагревателя, на основании которой определены предельные параметры для графенового нагревателя, работающего в воздухе и в воде. Экспериментально показано, что на основе графен-полимерных композитов возможно создание нагревательных элементов с плотностью теплового потока порядка 6 кВт/м2 в воздухе и 27 кВт/м2 в воде, что соответствует требованиям большинства бытовых отопительных систем. Создан термоакустический преобразователь на основе ПЭТ/ЭВА-графен.

В результате теоретических и экспериментальных исследований показано, что определяющими параметрами смачиваемости графеновых покрытий на меди являются кристаллическая ориентация медной подложки; шероховатость подложки и графенового слоя, формирующиеся при отжиге и закалке материалов с различными коэффициентами термического расширения; наличие регулярных структур на медной подложке и расстояние между графеновым покрытием и медной подложкой. Показано, что изменение смачиваемости графенового покрытия при выдержке на атмосфере связано с взаимодействием с парами воды.

Экспериментально и теоретически исследована зависимость сопротивления графенового слоя при контакте с водой. Показано, что при погружении листа графена в воду происходит резкое увеличение электросопротивления с последующим плавным выходом на стационарное значение. Согласно данным, полученным методом молекулярно-динамического моделирования, резкое увеличение электросопротивления связано со структурированием молекул воды вблизи поверхности графена и появлением тангенциальных электрических полей, изменяющих ширину запрещенной зоны в графене.

Развит теоретический и экспериментальный аппарат, позволяющий проводить оперативные научно-поисковые работы по синтезу металл-углеродных композитных материалов с заданными свойствами, такими как размер и фазовый состав наночастиц аддитива, степень графитизации углеродной матрицы и структура интерфейса наночастица/матрица. Предложен новый способ каталитического дугового синтеза графена.

Обнаружено формирование полых наночастиц оксида магния и алюминия при отжиге в воздухе магний-углеродного и алюминий-углеродного материала, синтезированного дуговым методом. Предложен механизм их роста, определены параметры, влияющие на структуру наночастиц.

Показано, что электродуговая технология может эффективно применяться для синтеза композиционного катализатора PdхCe1-хO2 для низкотемпературного окисления моноксида углерода, Mn-Fe-O-C для окисления метиленового синего, а также нанокомпозита MnOх-Mn7C3-C эффективного для использования в качестве электродов суперконденсаторов с высокой электрохимической емкостью.

Развиты технологии электродугового синтеза суперпарамагнитных наночастиц на основе железа и марганец-железа для создания стабильных магнитных наножидкостей на их основе.

На примере карбида титана показано, что графитовая дуга может применяться, как технология позволяющая изменить форму порошковых материалов на сферическую.

Оборудование и возможности

• Магнетронное напыление материалов
• Создание графеновых покрытий на различных материалах (металл, стекло, полимер)
• Синтез наночастиц и их композитов с наноструктурированным углеродом
• Оптическая диагностика материалов (статистическая обработка, построение 3д карт поверхностей)

Текущие направления исследований группы

• Графеновые покрытия для модификации смачивания различных поверхностей.
• Защитные покрытия для металлов от коррозии в воздушной атмосфере и в растворах солей.
• Защитные покрытия для металлов от водородного охрупчивания.
• Графеновые покрытия для управления конвективным и лучистым теплообменом.
• Графеновые композиты в качестве термоакустических преобразователей (системы подавления шума и объемная акустика).
• Барьерные графеновые покрытия для защиты элементов СВЧ систем от паразитных газовых разрядов.
• Разработка резистивных сенсоров на основе графена (фоторезистор, пьезорезистор, газовый сенсор).
• Электродуговой синтез металл-углеродных нанокомплексов для каталитических приложений.
• Электродуговой синтез магнитных и диффузионных микро/наномоторов для разложения органических соединений.
• Электродуговой синтез материалов для химических источников тока.
• Конверсия метана в струйном плазмотроне.
• Магнетронное осаждение тонких пленок и наночастиц.

Международное сотрудничество

Нет

Статьи

1. Andryushchenko V. A. et al. Electric arc synthesis of Al2O3 nanoparticles of various sizes //Ceramics International. – 2024. – Т. 50. – №. 1. – С. 536-542.
2. Kichatov B. et al. The role of self-diffusiophoresis and reactive force during the propulsion of manganese-based catalytic micromotors //Physical Chemistry Chemical Physics. – 2024. – Т. 26. – №. 3. – С. 1612-1615.
3. Andryushchenko V. A. et al. Control of graphene adhesion to substrate during transfer through liquid //Journal of Molecular Liquids. – 2024. – Т. 395. – С. 123827.
4. Misyura S.Y., Morozov V.S., Orlova E.G., Andryushchenko V.A. Wetting, droplet evaporation and corrosion behavior of various composite and textured materials // Ceramics International. 2024. V. 50. P. 19269.
5. Misyura S.Y., Morozov V.S., Andryushchenko V.A. Experimental study and modeling of the wettability of fluorine graphene. Corrosion behavior of the fluorine graphene layer on a copper substrate // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2024. V. 685. P. 133269. - https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2024.133269 (IF 5.2, Q1)
6. Misyura S.Y., Morozov V.S., Andryushchenko V.A. The influence of various factors on the transition of the fluorinated graphene wettability from superhydrophilicity to high hydrophobicity // Surfaces and Interfaces. 2024. V. 44. P. 103686.
7. Misyura S.Y., Morozov V.S., Andryushchenko V.A., Oshchepkov A.G., Kuznetsov A.N. The effect of graphene synthesis duration and copper textures on corrosive behavior and surface wettability //Journal of Materials Science. 2023. P. 1-23.
8. Misyura S.Y., Andryushchenko V.A., Morozov V.S. Molecular dynamic simulation and experimental data on graphene wettability on heated structured surfaces // Experimental Heat Transfer. V.36. 2023. P. 808-825.
9. Misyura S.Y., Andryushchenko V.A., Morozov V.S. The effect of temperature on the contact angle of a water drop on graphene and graphene synthesized on copper // Materials Science and Engineering: B. 2023. V. 290. P. 116341.
10. Kichatov B. et al. Magnetic Manganese‐Based Micromotors MnFe2O4@ Fe3O4/graphite and Mn2O3@ Fe2O3@ Fe3O4/graphite for Organic Pollutant Degradation //Advanced Sustainable Systems. – 2023. – Т. 7. – №. 12. – С. 2300288.
11. Nebogatikova N. A. et al. Visualization of Swift Ion Tracks in Suspended Local Diamondized Few-Layer Graphene //Materials. – 2023. – Т. 16. – №. 4. – С. 1391.
12. Smovzh D. V. et al. Stability of graphene films on copper, silicon, and glass substrates in contact with boiling water //Interfacial Phenomena and Heat Transfer. – 2023. – Т. 11. – №. 2.
13. Nuriakhmetov Z. et al. Graphene passivation effect on copper cavity resonator preserves Q-factor //Nanotechnology. – 2023.
14. 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/
15. 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
16. Misyura S.Y., Andryushchenko V.A., Morozov V.S., Smovzh D.V. The effect of textured surface on graphene wettability and droplet evaporation. Journal of Materials Science. 2022. Vol. 57(3). P. 1850-1862. https://doi.org/10.1007/s10853-021-06853-7
17. 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
18. Misyura S.Y., Andryushchenko V.A., Morozov V.S. The influence of copper substrate temperature on the wettability of graphene coating // Surface Innovations. 2022. P. 1-13.
19. Sorokin D.V., Shatilov D.A., Andryushchenko V.A., Makarov M.S., Naumkin V.S., Smovzh D.V. Water motion near graphene and its electric conductivity // Thermophysics and Aeromechanics. 2022. V. 29. P. 899-904. - https://doi.org/10.1134/S0869864322060099 (IF 0.6, Q3)
20. 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
21. Andryushchenko V., Smovzh D., Misyura S, Morozov V. Graphene wettability control: texturing of the substrate and removal of airborne contaminants in the atmosphere of various gases. Journal of Molecular Liquids. 2022. Vol. 349, 118116. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.118116
22. 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.
23. 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
24. 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
25. Sakhapov S., AndryushchenkoV., Boyko E., Skirda M., Smovzh D. Experimental and theoretical study of the conditions for the formation of carbon nanostructures in an arc discharge in helium, argon and nitrogen. Letters on Materials. 2022. Vol. 12(4). P. 321-326. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2022-4-321-326
26. Smovzh D.V., Skirda M.S., Sakhapov S.Z. Electric arc synthesis of magnetic Mn-Fe-C nanoparticles.//Письмаоматериалах. -2022. -Т.12. №4s. -С.475-479 DOI: 10.22226/2410-3535-2022-4-475-479
27. Boyko E. V. et al. Thermoacoustics and Temperature Distribution on the Surface of a Polymer-Graphene Composite //International Journal of Thermophysics. – 2022. – Т. 43. – №. 2. – С. 1-10.
28. Misyura S. Y. et al. Influence of Annealing and Substrate Surface Textures on the Wettability of Graphene‐Coated Copper Foil //physica status solidi (a). – 2022. – Т. 219. – №. 1. – С. 2100305.
29. Andryushchenko V., Sorokin D., Morozova M., Solnyshkina O., Smovzh D. 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 (IF 6.86, Q1)

Патенты

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. CVD реактор рулонного типа Смовж Дмитрий Владимирович, Маточкин Павел Евгеньевич, Безруков Иван Андреевич, Кривенко Александр Сергеевич Патент № 2762700, 22.12.2021.
7. Способ электродугового синтеза магнитных наночастиц MnхFe3-хO4 в углеродной матрице. Смовж Д.В., Сахапов С.З., Скирда М.С. Патент на изобретение № 2805837, 24.10.2023. Заявка № 2022132424 от 17 февраля 2023 г.
8. Устройство для получения газового гидрата. Елистратов Дмитрий Сергеевич, Адамова Татьяна Петровна Патент на изобретение  2780795 C1, 30.09.2022.  Заявка № 2021131329 от 27.10.2021.
9. Кавитационный способ получения газового гидрата. Елистратов Дмитрий Сергеевич, Адамова Татьяна Петровна Патент на изобретение 2781055, 04.10.2022. Заявка No 2021131127 от 26.10.2021г.

Список сотрудников