Ученые показали, что способность фторсодержащего полимера накапливать заряд можно повысить почти в 42 раза, добавив к нему наночастицы из ванадия и углерода — максены. Благодаря этому полученный композит может использоваться в электронной промышленности, радиотехнике, вычислительной технике, автомобиле- и авиастроении в качестве материала для накопления заряда и энергии. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanoscale.
Современные конденсаторы — устройства, накапливающие заряд и энергию электрического поля, — требуют разработки гибких диэлектриков — материалов, плохо проводящих электрический ток. В качестве таких материалов перспективны полимеры, например полипропилен, поскольку их легко получать, они гибкие и не разрываются. Их используют при изготовлении транзисторов, приводов и конденсаторов. Однако полимеры плохо накапливают энергию внешнего поля, что делает их применение ограниченным. Сделать так, чтобы эти материалы хорошо накапливали заряд, можно, если добавить к ним двумерные наночастицы — максены. Тогда внутри материала образуются микроконденсаторы: наночастицы выступают электродами (элементами, проводящими ток), а сам полимер — диэлектриком. В результате при воздействии внешнего электрического поля на границах соприкосновения максенов и полимера возникают центры поляризации (зоны смещения заряда), и композит лучше накапливает заряд.
Максены состоят из переходного металла, например титана, ванадия или хрома, а также атома углерода или азота. Одни из наиболее широкодоступных наночастиц состоят из карбида ванадия — соединения ванадия и углерода, однако их влияние на электрические свойства полимеров еще не изучено.
Ученые из Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А. (Саратов) и Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) исследовали влияние наночастиц карбида ванадия на способность полимера поливинилиденфторида накапливать заряд. На первом этапе химики получили материал-предшественник, в котором, помимо ванадия и углерода, присутствовали атомы алюминия. Реакцию проводили методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из доступных реактивов: оксида ванадия, порошка алюминия и графита. Непосредственно максены из ванадия и углерода без алюминия получили, поместив материал-предшественник в горячий раствор соляной и плавиковой кислот.
Образовавшийся порошок измельчили, очистили от примесей и смешали с органическим растворителем. Затем в получившейся смеси ученые растворили гранулы поливинилиденфторида и спрессовали полимерные диски толщиной 1 миллиметр при температуре 180°С.
С помощью рентгеновской кристаллографии авторы определили молекулярную структуру получившегося полимера. Этот метод основан на том, что в зависимости от своего строения вещества по-разному рассеивают рентгеновские лучи. Также ученые использовали импедансметр — прибор, отслеживающий перемещение зарядов, — чтобы оценить способность полимера накапливать заряд. Оказалось, что благодаря двумерному карбиду ванадия полимер принял такую кристаллическую структуру, при которой его способность накапливать энергию внешнего поля увеличилась в 41,7 раз.
Предложенный способ получения полимера оказался дешев, так как не требует дорогостоящего сырья, и прост в осуществлении. Синтезированный полимер может эффективно использоваться в различных областях электроники.
«Полученные нами полимерные композиты могут стать частью различных электронных цепей. Так, конденсаторы на их основе найдут свое применение в автомобиле- и авиастроении. В дальнейшем мы планируем сосредоточится на материалах для высоковольтных кабельных муфт, так как подобные соединения эффективно выравнивают поля высокой напряженности», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Николай Горшков, кандидат технических наук, доцент кафедры «Химия и химическая технология материалов» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.