Перовскит — минерал титанат кальция, перспективный для создания новых материалов. Назван в честь минералога Льва Перовского. Российские исследователи придумали новый метод изготовления композита на основе перовскита, который можно применять в области аддитивного производства. Полученные из него материалы остаются стабильными в изменяющихся условиях окружающей среды — ранее именно нестабильность наноматериалов перовскитов не позволяла их использование для 3D-печати.
Над научным проектом работали ученые Казанского федерального университета (КФУ). Результаты исследования можно будет использовать при производстве светодиодов и широкоформатных люминесцентных экранов, а также в области солнечной энергетики.
«С одной стороны, наше исследование фундаментальное, с другой — имеет прикладное значение. Перовскиты — класс соединений, очень модный в современном научном мире, так как они обладают уникальными фотолюминесцентными свойствами, однако у них есть один недостаток: они неустойчивы в обычных условиях. Влажность воздуха их нещадно разрушает, что приводит к потере люминесцентных свойств. Чтобы это предотвратить, ведутся различные работы по их стабилизации. Один из предложенных способов — инкапсуляция перовскитов в защитный материал: стекло, полимер — изоляция от внешних условий. Однако существенных успехов на этом пути пока не достигнуто», — рассказывает научный руководитель проекта Айрат Димиев, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Перспективные углеродные наноматериалы» Химического института имени А. М. Бутлерова КФУ.
Согласно новому методу, который придумали ученые, квантовые точки перовскита формируются на месте и равномерно распределяются в полимерной матрице. Готовый материал демонстрирует высокий квантовый выход и беспрецедентную стабильность в условиях окружающей среды. К примеру, квантовый выход напечатанных объектов не изменился после того, как они выдерживались 30 дней под водой.
Синтез перовскитов происходит непосредственно в экструдере (здесь пластик нагревается и переходит в другое фазовое состояние, становится текучим), куда загружается полимер для вытягивания нити. Ранее процесс получения подобных композитов включал целый ряд трудоемких стадий, начиная с достаточно сложного синтеза самих перовскитов с их выделением и очисткой и заканчивая последующим многоступенчатым и трудозатратным внедрением перовскитов в полимер. Последняя стадия включала растворение полимера в органическом растворителе и его последующую отгонку.
«В нашем методе композит синтезируется в одну стадию и «в одном стакане» в полном соответствии с принципами «зеленой» химии и устойчивого развития. Полученный композит обладает высокой термо- и влагостойкостью, может быть напрямую использован для 3D-печати методом FDM при температуре 200–220 градусов. Разработанный метод прост, практически не имеет отходов и неограниченно масштабируется», — добавил Айрат Димиев.
Как отмечают в вузе, разработка будет интересна в производстве светодиодов и широкоформатных люминесцентных экранов. Материал, который предлагают ученые КФУ, более дешевый по сравнению с аналогами (сегодня в светодиодах люминофоры содержат дорогие редкоземельные металлы, такие как иттрий и церий).
Кроме того, перовскиты актуальны и для фотовольтаики (преобразование энергии в электрическую). В лабораторных образцах наибольший коэффициент фотоэлектрического преобразования сегодня достигнут с использованием именно перовскитов.
Статья ученых опубликована в международном научном журнале. Исследование выполнено на средства, выделенные КФУ на развитие проекта «Материалы для зеленой энергетики и жизнеобеспечения».
Синтез перовскитов в органических растворителях и их характеристика с помощью рентгеновской дифракции были выполнены при поддержке Российского научного фонда.
