Группа электрохимического структурирования лаборатории кинетики электродных процессов
Всем привет! Мы бы хотели рассказать вам о работе в группе электрохимического наноструктурирования под руководством к.х.н. К.С. Напольского. Надеемся, что направления наших исследований заинтересуют вас, и вы присоединитесь к нашему дружному и веселому коллективу. Думаем, вам понравится)
Практически все направления исследований нашей группы тесно связаны одним общим объектом – пористыми плёнками анодного оксида алюминия (АОА). Звучит не очень интересно, но на самом деле это материал с уникальной структурой! Вы когда-нибудь разглядывали медовые соты? Пчёлы – очень умные существа, они стремятся использовать пространство максимально эффективно, поэтому оставлять пустые промежутки им не хочется. Однако заполнить плоскость без пустот можно только тремя фигурами: правильными треугольниками, квадратами и шестиугольниками. При одинаковой площади фигур заполнение гексагонами приводит к наименьшей общей длине перегородок, то есть пчёлы потратят меньше воска и меньше энергии, соответственно, такое заполнение им выгодно. Архитекторы активно перенимают опыт пчёл и создают очень красивые и, главное, надёжные сооружения из шестиугольников (рис. 1). А теперь представьте, что существует материал, который имеет подобную структуру на наноуровне. Именно его мы активно изучаем и используем в нашей группе.
Несмотря на активное изучение АОА в течение вот уже ста лет, остаётся ещё много вопросов, которые вы можете решить. Оказывается, что подобная структура наблюдается лишь в узком интервале условий получения АОА, что накладывает ограничения на возможные геометрические параметры. Много времени мы потратили на разгадывание фундаментальных тайн формирования анодного оксида алюминия. Самое главное, мы научились управлять его структурой и систематически подбирать режимы анодирования, в которых происходит самоупорядочение пористой структуры, что существенно расширило область возможных применений.
Очень часто анодный оксид алюминия используется в нашей группе для получения наноструктурированных материалов с помощью темплатного электроосаждения. АОА при этом является шаблоном/матрицей, поры которого заполняются веществом. При этом можно формировать нитевидные наноструктуры различного состава: монометаллические или сегментированные, т.е. состоящие из последовательно чередующихся сегментов разных металлов. Толщина нанонитей может быть в миллион раз меньше толщины обычной хлопковой нити и составлять 30-100 нм!…
Благодаря таким малым размерам и высокой анизотропии формы, нитевидные наноструктуры находят широкое применение в различных областях науки и техники. Например, сотрудниками нашей научной группы удалось получить нанонити родия, обладающие высокой каталитической активностью, что делает их перспективными для использования в качестве катализатора электровосстановления нитратов. Нанонити из магнитных металлов (железо, кобальт, никель), ввиду своей магнитной анизотропии проявляют особые свойства и изучаются в области физики магнитных явлений. В настоящее время активно исследуются гибридные сверхпроводящие структуры на основе единичных нанонитей Nb/NW/Nb (NW = Cu, Au или Au/Ni). Это так называемые джозефсоновские переходы, которые в дальнейшем могут использоваться в устройствах сверхпроводящей микроэлектроники, постепенно приходящей на смену традиционной полупроводниковой.
Мы также шагаем в область современной фотоники и фотонной вычислительной логики. В тесной кооперации с коллегами-физиками мы работаем над созданием гиперболических метаматериалов, оптические свойства которых никогда раньше не встречались в природе. Например, такой материал может обладать отрицательным показателем преломления, а его использование в оптической микроскопии позволяет преодолеть дифракционный предел, когда-то заставивший человечество изобрести электронный микроскоп.
Помимо этого, массив нанонитей (наноэлектродов) может рассматриваться как универсальная платформа для создания высокоэффективных сенсоров. Например, актуальной на данный момент задачей является получение золотых нанонитей, заглубленных на небольшое (1 мкм и меньше) расстояние относительно поверхности АОА. На поверхность золота можно осадить берлинскую лазурь и использовать данную систему для определения малых концентраций пероксида водорода.
Темплатное электроосаждение – очень мощный и эффективный метод получения современных функциональных материалов, однако на данный момент он достаточно слабо изучен. В нашей группе мы активно применяем современные электрохимические методы анализа для исследования зарождения и роста нанонитей, а также оптимизации условий синтеза.
Другое активно развивающееся направление нашей группы – формирование фотонно-кристаллических структур на основе анодных оксидов титана и алюминия. Возможности управления пористостью путём изменения условий анодирования позволяют формировать структуры с периодическим изменением показателя преломления по глубине оксидной плёнки. Фотонные кристаллы – молодая и развивающаяся область, поэтому абитуриент (как первокурсник бакалавриата, так и магистратуры) имеет шанс занять почётное место в числе соавторов статей высокорейтинговых журналов и стать участником нетривиальных и увлекательных исследований. Все помнят кремниевую революцию? Фотонные кристаллы – аналоги полупроводников, фотонная запрещённая зона которых, по аналогии с запрещённой зоной, находится в области света видимого диапазона. Если предположить, что фотонные компьютеры – наше недалёкое будущее, то структуры, исследуемые в нашей научной группе, будут занимать в этой области ведущую роль.
Мы занимаемся поиском закономерностей между структурой пористой плёнки, формирующейся электрохимически, на наномасштабе и оптическими свойствами полученного материала. Полученные данные позволяют точно управлять появляющимися фотонными зонами: их положением, шириной, формой, количеством. При проведении электрохимических экспериментов используются сверхчувствительные источники тока, спектрофотометрические измерения ведутся на сканирующих спектрофотометрах. Структуру плёнок изучают методом растровой электронной микроскопии. Работа в лаборатории позволит вам не только научиться корректно ставить эксперименты, выполнять их и всеобъемлюще исследовать полученные образцы, но и тщательно анализировать полученные данные.
Помимо глубокой научной составляющей, фотонные кристаллы, которые мы получаем, могут использоваться как декоративные покрытия. Они меняют цвет при изменении угла наклона и всё это происходит без добавления красителей! Такие же структуры мы можем увидеть в природе, когда любуемся переливающимися крыльями бабочек или хамелеоном, кожа которого изменяет цвет.
Другое перспективное направление исследований в нашей лаборатории – формирование структурированных тонких металлических плёнок на поверхности анодного оксида алюминия. В настоящее время MEMS-технологии широко используются для изготовления различных микросхем, создания разнообразных миниатюрных датчиков и анализаторы среды. В промышленности наиболее часто в качестве основы для таких устройств применяют соединения кремния. Использование анодного оксида алюминия в этой роли обеспечивает ряд таких значительных преимуществ, как низкое энергопотребление, высокая механическая прочность и возможность получения структур с высоким разрешением. Прямо сейчас мы ведем активную научно-исследовательскую работу в области создания планарных газовых сенсоров с длительным сроком службы, которые помогут существенно снизить стоимость и увеличить надёжность детектирования газов в топливной промышленности, жилых помещениях и научных лабораториях. Для получения тонких плёнок металлов, которые являются чувствительными элементами таких устройств, мы используем оптическую литографию и магнетронное напыление, а для исследования их микроструктуры и состава – оптическую, электронную и атомно-силовую микроскопию, методы электронной дифракции, рентгеноспектральный микроанализ и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию. Аттестацию стабильности электрофизических характеристик разрабатываемых устройств проводим с помощью методов вольтамперометрии и изучения температурных и временных зависимостей электросопротивления.
Одним из новых направлений для нашей лаборатории является создание твердооксидных топливных элементов. Это высокоэффективные экологичные устройства для прямого получения электрической энергии при сжигании топлива. В простейшем случае их можно представить как структуру, состоящую из анода, катода и слоя твердого электролита между ними. Теоретически предсказано и экспериментально подтверждено, что уменьшение толщины каждого из этих слоёв приводит к увеличению эффективности топливного элемента и уменьшению его стоимости. Но уменьшение толщины всех слоёв чревато механической нестабильностью системы. Решить проблему можно при использовании АОА в качестве несущей основы.
Мы также занимаемся диоксидом титана, который в настоящее время широко используется в качестве косметического пигмента, причем спектр его применения постоянно расширяется. Он входит не только в состав солнцезащитных кремов в качестве физического УФ-фильтра, но и в состав декоративной косметики как пигмент белого цвета, дополнительно обеспечивающий защиту от ультрафиолетового излучения. При этом разработка новых косметических пигментов на основе TiO₂ остается актуальной, поскольку к ним предъявляются все более высокие требования, связанные как с их оптическими характеристиками, которые проявляются в составе различных средств, так и с их безопасностью. Мы разрабатываем косметические пигменты нового поколения на основе аморфной, а также различных кристаллических модификаций диоксида титана с контролируемой формой частиц и размером 1-10 мкм. Они обладают высокой укрывистостью и SPF, а также позволяют создать эффект мягкого фокуса.
Систематически в нашей научной группе проводятся семинары, где студенты и их старшие товарищи могут поделиться не только своими последними наработками, но и прочитанными публикациями. Такой подход позволяет расширить кругозор, обсудить с коллегами возможности использования новых подходов/информации в своём проекте. Мы являемся частыми гостями фестиваля Nauka 0+: всех без исключения завораживают брелочки из наших фотонных кристаллов. В начале 2019 года мы принимали участие в открытии Международного года Периодической таблицы химических элементов в ЮНЕСКО (Париж, Франция):
Если Вас завораживает, как переплетаются разные области науки,
если Вам хочется публиковаться в классных журналах,
если Вы хотите перенимать опыт и знания у людей, влюблённых в науку,
то Вам обязательно к нам!
Познакомиться с научными направлениями, над которыми трудятся в группе, коллективом и последними публикациями можно на сайте http://eng.fnm.msu.ru/.
По вопросам собеседования писать можно сюда https://vk.com/wertochka, сюда https://vk.com/lena_gordeevaa или сюда https://vk.com/stepan_sotnichuk, и ещё сюда https://vk.com/id223523248.