Решение подскажет математическая модель

Российские исследователи разработали инновационную математическую модель, открывающую новые возможности для плазменного синтеза наноматериалов. Регулируя основные параметры — температурный режим, величину тока, напряжение и химическую композицию плазмы, специалисты научились создавать наноалмазы, металл-углеродные наночастицы и другие углеродные структуры. Эти передовые материалы находят широкое применение в современной биомедицине и электронной промышленности. Благодаря разработанной модели процесс их производства становится более доступным и эффективным. Проект реализован при поддержке гранта РНФ.
Современная наука активно развивает плазменный синтез как перспективный метод создания инновационных наноматериалов для химической отрасли, технических приложений и медицины. Суть метода заключается во взаимодействии молекул исходных веществ в среде ионизированного газа — плазме, образованной под воздействием электрического тока. Технология позволяет получать широкий спектр углеродных наноструктур — от нанотрубок и фуллеренов до одноатомных графеновых листов. Особый интерес представляет возможность создания комплексных функциональных наноматериалов, включая частицы с металлическим ядром и углеродной оболочкой. Такие материалы успешно применяются в разработке магнитных жидкостей и систем точечной доставки лекарственных препаратов. Для достижения заданных характеристик наноматериалов критически важно понимать зависимость их свойств от условий синтеза.
Коллектив ученых Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева создал комплексную физико-математическую модель, детально описывающую процессы формирования плазмы в смеси аргона и метана.
В ходе исследования были проанализированы два варианта плазмообразования. Первый включал использование вольфрамового катода и медного анода, где эмиссия электронов происходила благодаря термическому эффекту. Во втором варианте применялись медные электроды, а электронная эмиссия обеспечивалась комбинированным действием высокой температуры и напряженности электрического поля.
На основе математического анализа процессов в обеих конфигурациях была создана универсальная модель. Она показывает, как углеводороды, включая метан, распадаются в плазме на чистый углерод и ионизированные компоненты. Параллельно происходит испарение медных частиц с поверхности электродов.
Исследование выявило, что характеристики получаемых наноструктур определяются множеством факторов, включая силу тока, давление газовой среды, концентрацию метана, геометрию и материал электродов. Медные частицы могут выступать как катализаторами роста углеродных наноструктур, так и строительным материалом для металл-углеродных наночастиц. Примечательно, что вольфрамовый катод способствует преимущественному образованию металл-углеродных наночастиц, тогда как медный катод благоприятствует формированию наноалмазов.
По словам руководителя проекта Алмаза Сайфутдинова, разработанная модель имеет как фундаментальную, так и практическую ценность. Она не только раскрывает механизмы дуговых разрядов при использовании различных металлических катодов, но и позволяет оптимизировать производство наноструктур. В перспективе планируется расширение возможностей модели путем включения пространственного моделирования, использования композитных анодов и учета конвективных потоков в разрядной камере.
Подготовлено при поддержке Российского научного фонда.
Использованы материалы статьи.
Источник: www.kommersant.ru