Дивна поведінка нового композиту з графеном вивчили на моделі
Бум на дослідження, присвячені створенню нових матеріалів з графеном цілком зрозумілий - одержувані композити повинні володіти незвичайними електричними і механічними властивостями. Будь-яке відкриття в цій галузі може перевернути старі технології.
У Московському інституті електронної техніки провели ряд експериментів зі створення нового п'єзоактиивних матеріалу, який потенційно може бути використаний в датчиках тиску, в піроелектричних матрицях для тепловізорів, і багато іншого. Розробники зробили композитну тонку плівку сополимера полівініліденфториду (ПВДФ) і політріфторетілена (ПТФЕ) з додаванням графена і оксиду графену. Однак в експерименті замість очікуваного збільшення, вони отримали зменшення значення п'єзоелектричного коефіцієнта. Тоді до роботи підключилася Група комп'ютерного моделювання наноструктур Інституту математичних проблем біології РАН під керівництвом Смелаа Бистрова. Вчені побудували моделі різних можливих взаємодій графеновой плівки з полімером і зімітували електричне поле. Комп'ютерна модель показала, що при концентрації графена в композиті в кількості 1% дійсно п'єзоефект сильно знижується, але при підвищенні концентрації починає збільшуватися. За визнанням вчених, вони самі здивувалися, що модельний підхід дозволив побачити напрямок поведінки цієї структури. При збільшенні кількості шарів графену в моделі коефіцієнт почав зростати - отже в подальших експериментах необхідно детально досліджувати різне число і зміни порядку шарів, різні взаємні орієнтації шарів графену і ланцюжків полімеру. Тепер хіміки перевірять в експерименті висновки, отримані при моделюванні.
Дивна поведінка нового композиту з графеном вивчили на моделі
В останні роки значний інтерес викликають нові матеріали з низькою щільністю, хорошою еластичністю, великий п'єзоелектричній і піроелектричного активністю. Особлива увага приділяється створенню композиційних матеріалів на основі полімерів і наноструктур вуглецю (графена, вуглецевих нанотрубок), оскільки вони повинні володіти незвичайними електричними і механічними властивостями. Подібні матеріали використовуються в різних п'єзодатчики і П'ЄЗОСЕНСОР. Зараз їм знаходять і нові інноваційні застосування, наприклад, роблять різні пристрої з вироблення електроенергії, одне з них - пьезогенератори в підошві взуття - людина ходить і при цьому виробляє електрику.
Дослідники з Московського інституту електронної техніки під керівництвом Ігоря Бдікіна і Максима Силібін провели ряд експериментів зі створення нового п'єзоактиивних органічного матеріалу, який потенційно може бути використаний в датчиках тиску, в піроелектричних матрицях для цивільного і військового застосування. Основна мета досліджень полягала у збільшенні п'єзоелектричних властивостей гнучких полімерних композитів, за рахунок додавання графена і оксиду графену. Вчені зробили композитну тонку плівку сополимера полівініліденфториду (ПВДФ) і політріфторетілена (ПТФЕ) з додаванням графена і оксиду графену (GO). Однак в експерименті замість очікуваного збільшення, вони отримали зменшення значення п'єзоелектричного коефіцієнта. Група комп'ютерного моделювання наноструктур Інституту математичних проблем біології РАН під керівництвом Смелаа Бистрова змогла побудувати модель процесу, не тільки підтверджує результати експерименту, але і задає напрямок подальшого дослідження матеріалу.
модель п'єзоефекту
П'єзоелектрик називаються речовини, в яких при додатку механічної напруги виникає електрична поляризація навіть під час відсутності електричного поля. Це явище називається прямим п'єзоефектом. Пов'язано це з пружним зсувом електричних зарядів в молекулярній структурі речовини під дією зовнішніх механічних сил. Поряд з прямим п'єзоефектом існує зворотний п'єзоефект, що полягає у виникненні механічних деформацій під дією прикладеного до п'єзоелектрик електричного поля.
Композити на основі полівініліденфториду (ПВДФ) характеризуються високими п'єзоелектричними коефіцієнтами в порівнянні з іншими полімерними матеріалами. Дослідники очікували, що графенові частки, вбудовані в полімерну матрицю, забезпечать більшу електромеханічну і піроелектричного активність. Але експеримент показав зворотне.
Моделювання та обчислювальні дослідження композиту дозволили детально вивчити механізми зміни п'єзоефекту при додаванні графена до полімеру. Структури були досліджені з використанням пакета програм HyperChem.
Для початку була побудована модель молекулярної ланцюга ПВДФ і її поведінки в електричному полі. Результати обчислень п'єзоелектричних коефіцієнтів при різному напрузі збіглися з експериментальними даними.
Володимир Бистров пояснює: «Молекулярна структура завжди прагне зайняти стан енергетичного мінімуму. Програма HyperChem дозволяє знаходити цей стан. Потім на ланцюжок полімеру накладається імітація електричного поля і спостерігається як деформується ланцюжок. Без поля вигідно одне розташування, в поле інше. За зміною висоти розташування молекул ланцюжка можна обчислити п'єзоелектричний коефіцієнт ».
додаємо графен
Далі була побудована модель з додаванням графена. Були проведені розрахунки для найпростішої решітки з 54 атомами вуглецю (Gr54) і розташованими з різних сторін ланцюжками полімеру. Програма знайшла оптимальну відстань між шарами, воно виявилося близько 4 ангстремів і розрахувала пьезокоеффіціент при накладенні електричного поля. Дійсно, при додаванні графена п'єзоефект, згідно з розрахунками, зменшувався.
Оскільки в експерименті використовувався не чистий графен, а оксид графену, то вчені розглянули більш складні решітки, з групами OH, COOH і атомами азоту, які, як правило, входять до складу оксиду графену після його синтезу. Таким чином, були побудовані ще кілька простих моделей для системи ПВДФ / оксид графену і обчислені їх п'єзоелектричні коефіцієнти за тими ж алгоритмами.
П'єзоелектричні коефіцієнти, розраховані для моделі Gr54 / ПВДФ, виявилися приблизно в три рази нижче, ніж для чистої ПВДФ -ланцюга. Присутність шару графену знижує значення пьезокоеффіціента, що і спостерігалося в експериментах.
робимо сендвічі
Дослідники провели розрахунки ще по одному типу моделей - сендвіч. Він містив шари оксиду графену з обох сторін ланцюга ПВДФ. У цій моделі пьезокоеффіціент вийшов більш високим.
В експерименті графен був присутній в ПВДФ в 1% концентрації, у вигляді окремих фрагментів. Отримані результати відповідали першій моделі, в якій ПВДФ взаємодіє тільки з GO на одній стороні ланцюга. Це зменшує п'єзоелектричний коефіцієнт. В середньому композит неоднорідний, тому точного збігу між експериментом і моделлю немає, але загальна тенденція змін відстежується вірно.
При збільшенні концентрації GO понад 1% в композиті починають утворюватися сендвіч-кластери. Ці кластери, швидше за все, схожі на описану вище модель сендвіча. Таким чином можна сказати, що в композитах виникають два основних типи порядку: два шари, такі як ПВДФ / GO і три шари, такі як сендвіч GO / ПВДФ / GO. Було виявлено, що двошаровий структура ПВДФ / GO призводить до зменшення пьезокоеффіціента, тоді як структура сендвіча GO / ПВДФ / GO дає посилений п'єзоелектричний відгук.
Володимир Бистров: «Для мене і для експериментаторів було несподівано, що найпростіший модельний підхід дозволив побачити напрямок поведінки цієї структури. При збільшенні кількості шарів в моделі коефіцієнт почав зростати - отже в подальших експериментах необхідно детально досліджувати різні взаємні орієнтації, різне число шарів і зміни порядку шарів GO і ПВДФ. Якби експериментатори створили нанокомпозит в техніці нанесення молекулярних шарів методом Ленгмюр-Блоджетт - отримується структура була б значно більш впорядкована і модель більш адекватно її описувала. Подібні методи розроблені в Інституті кристалографії під керівництвом професора Смелаа Фридкина. Сподіваюся це справа найближчого майбутнього - застосувати їх тут ».
Будь-який бізнес починається з грошей. Фінансові кошти потрібні для його відкриття, успішного розвитку, презентації в суспільстві. Гроші роблять гроші, і бізнес стає успішним тоді, коли дозволяє отримувати за рахунок свого функціонування серйозні фінанси. Але домогтися прибутковості бізнесу не так просто, як здається. І дуже часто ...
