Ученые НИЯУ МИФИ математически смоделировали внедрение углеродных нанотрубок в полимеры. Это поможет ускорить процесс создания новых нанокомпозитных материалов с заданными свойствами, которые могут применяться в мембранных технологиях для опреснения воды, фильтрации крови, разделения газов и жидкостей. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале «Membranes».
Нанокомпозиты — это многофазные твердые материалы, в которых одна из фаз имеет один из трех размеров менее 100 нанометров. Они применяются для проектирования и создания новых материалов с беспрецедентной гибкостью, а также для улучшения физических свойств существующих материалов. Такие материалы используются в мембранных технологиях для опреснения воды, фильтрации крови, разделения газов и жидкостей.
При изготовлении нанокомпозитов с новыми функциональными свойствами наночастицы внедряют в полимеры, чтобы улучшить селективность и проницаемость изготовленных из них мембран (тем самым повысив производительность работы мембранных установок), или чтобы создать мембраны для решения новых разделительных задач.
В качестве наночастиц при изготовлении нанокомпозитов лучше всего подходят углеродные нанотрубки, отметил молодой ученый, доцент кафедры молекулярной физики НИЯУ МИФИ Юрий Еремин.
«Из-за уникального разнообразия геометрических, структурных и физических характеристик, углеродные нанотрубки позволяют получать композитные материалы с широким диапазоном свойств – структурных, прочностных, электромагнитных и оптических», - рассказал он.
По его словам, когда в полимер добавляют наночастицы, то при достижении определенной концентрации они начинают формировать связанные между собой структуры – «кластеры». Дальнейшее увеличение концентрации наночастиц приводит к объедению этих кластеров в перколяционный кластер, который равномерно распределен по всему материалу и связывает между собой противоположные грани. Свойства полимеров, например, электропроводность, в этом случае изменяются скачкообразно.
Сотрудники кафедры молекулярной физики НИЯУ МИФИ выполнили численное моделирование таких структур. Исследователи изучили разные параметры перколяционных кластеров из углеродных нанотрубок и установили, что они значительно меняются при изменении размеров внедренных частиц и линейных размеров матрицы.
«Увеличение длины углеродных нанотрубок приводит к увеличению мощности перколяционного кластера при той же концентрации, а уменьшение толщины матрицы с одной стороны приводит к уменьшению концентрации, при которой формируется перколяционный кластер, но с другой стороны приводит к нелинейному уменьшению его мощности, то есть доли матрицы, на которую влияют введенные частицы», - пояснил Юрий Еремин.
Полученные результаты, по мнению исследователей, позволяют описать, как нелинейно меняются свойства полученных мембран при увеличении концентрации наночастиц. Ученые полагают, что макроскопические изменения (свойств нанокомпозитных материалов из полимеров и углеродных нанотрубок) связаны с характеристиками перколяционного кластера. Поэтому при моделировании свойств таких систем необходимо учитывать параметры перколяционного кластера с учетом фактических размеров мембраны и введенных наночастиц.
С помощью выявленных закономерностей ученые планируют предсказывать оптимальную концентрацию углеродных нанотрубок, которую необходимо внедрить в полимер для эффективного улучшения его свойств, таких как электропроводность, прочность, проницаемость и т.д. По их мнению, результаты работы помогут ускорить процесс создания новых материалов из полимеров и углеродных нанотрубок.
Исследование выполнено в рамках проекта «Приоритет 2030».