Лаборатория наносинергетики

Задачей лабораторий Центра Нанотехнологии является создание современной лабораторий с развитой инфраструктурой, проведение актуальных исследований, трансферт технологий, промышленное освоения и коммерциализации разработок.

Основная стретегическая цель лаборатории Наносинергетики - создание Центра Нанотехнологии в течение 3-4 лет, оснащение ее современным оборудованием и комплектация Центра 10-20 специалистов высшей квалификации.

Создать 5 новых лаборатории в составе Центра: АЛД, Кластерных технологий, Нанобиологии растений, Физико-химии наноматериалов, и наконец Плазменных технологий; а также Теоретический отдел с высокоскоростным моделированием. 

Разработать кооперацию с Аргоном, Университетами Киото, Хиого, Пурду, МИТ, Беркли, Бен Гуриона, Гумбольдта, Урбана Шампейн.

Научные направления

Нанопористые и нанослоистые материалы:

Изучение взаимосвязи кристаллическая, электронная структура – синтез –характеризация – свойства – приложение . Современный подход в науке о материалах на сегодняшний день сфокусирован на изучении материалов с ценными электрофизическими и иными свойствами имеющих нано- и микронный размер. Среди наиболее интересных классов соединений, которые выходят сегодня на передний край исследований, выделяются семейства соединений, которые имеют либо разветвленную 3D структуру на примере сит или мезопор из силикатных, углеродных и иных полиэдров либо 2D слоистую структуру как в случае графеновых и иных двумерных слоев. В нашей группе уже имеется научный задел по двум данным направлениям, и хотелось бы особо выделить направление по изучению вышеуказанной взаимосвязи на нано- и микропористом сложном силикате, обработанным сложно полимерными соединениями в целях получения многофункционального материала для задач сельского хозяйства и для решения проблем устойчивого развития Продовольственной программы Республики Казахстан .  В этой связи нами были начаты исследования физикохимического характера по изучению пористости, удельной поверхности, размера гранул, сорбционной емкости, механической прочности и иных свойств силикатного песка. Следующим этапом в работе будет работа по изучению возможности напыления наноразмерных слоев различной химической природы на образцы, приготовленные различной степенью помола. Для этого у группы имеется новый аппарат ALD (USA), который позволит провести подобные работы.

Мембраны:

Задача состоит в получении больших участков монослойного графена, так как известные сейчас методы имеют технологические ограничения. Например, образование поликристаллических структур, состоящих из взаимно развернутых мелких (около 20−30 nm) фрагментов, из чередующихся участков монослойного монокристаллического графена, и многослойных графеноподобных пленок с мозаичной структурой.

Вторая задача состоит в создании контролируемых пор с диаметрами от 2 - 10 нм на поверхности графена. До настоящего времени не предложены никакие методы для создания наномембран с контролируемыми порами.  Для создания таких графеновых наномембран весьма перспективен  радиационный метод создания треков путем применения кластерных пучков молекул газов, при облучении которыми создаются большие плотности дефектов с малыми глубинами проникновения  [18, 19].

Для ускорения процессов фильтрации жидкости перспективны использования бесконтактных, не приносящих вред живым клеткам, акустических методов воздействия. Для достижения этой цели используется так называемый эффект «нанонасоса» (nanopumping effect). Это – способ активации прохождения молекул газов через углеродные нанотрубки (УНТ) под воздействием ПАВ[14]. Было показано что под воздействием ПАВ с частотой 10 ТГц молекулы газа, в частности, атомы гелия  вылетают из УНТ  с огромной скоростью равной 22 км/сек в направлении распространения ПАВ.

Таким образом, основной целю проекта является создание высокоэффективных и энергосберегающих графеновых наномембран с контролируемыми размерами 2 - 10 нм нанопор на основе использования акустоэлектрического "nanopumping" эффекта [14] и радиационного метода кластерного  облучения [19].

В ходе реализации проекта будут освоены методики получения больших участков монослойного графена, методы характеризации свойств графена, методики получения контролируемых нанопор. Также будут созданы приборные структуры на его основе и будут проводится исследования их параметров.

Ускорительный комплекс GCIB:

Технология облучения пучками газово - кластерных ионов является новым и уникальным методом поверхностной обработки. Основная идея этой технологии лежит в образовании газовых кластеров. Когда кластеры взаимодейтсвуют с поверхностью обрабатываемого материала, из-за того, что атомы кластера не достаточно энергичны, они не проникают глубже нескольких атомных слоев (≤10 нм). Кластер начинает распадаться в то время как большая часть полной энергии кластера передается атомам мишени в точке бомбардирования, чтобы мгновенно создать экстремальные переходные условия температуры и давления для самых крайних атомов поверхности.

Облучение ионными пучками газовы кластеров позволяет изменять и контролировать поверхностные свойства такие как наноразмерное текстурирование, гидрофильность и кристалличность поверхности. 

Сферы применения оборудования облучения пучками газо-кластерных ионов:

  • Сглаживание поверхности. С помощью облучения кластерными ионами можно значительно уменьшить шероховатость поверхности. Такие гладкие поверхности необходимы для подложек, с использованием которых повышается возможность выращивания идеального монослойного и многослойного графена.
  • Аморфизация поверхности. В следствие обработки кластерными ионами усиляется поверхностая площадь. Это приводит к рандомизированной поверхности, которая увеличивает поверхностную энергию. В результате этого процесса материал становится более гидрофильным. Свойство является постоянным, если материал не окиляется после облучения.
  • Биотехнология. Обработка кластерными ионами также применяется для различных имплантантов, сделанные из металлов, полимеров, и биологических материалов (кости, коллагены и т.д.). После обработки материалы демонстрируют улучшенную клеточную адгезию и пролиферацию. Такие облученные имплантанты являются более эффективными потому, что они ускоряют процесс заживление и возобновления мягких клеток и костей. 

В данном проекте GCIB будет использоваться в качестве новой технологии облучения материала, который будет применяться для создания экологических фильтров. Из-за образования нанопор контролируемых размеров в результате данного облучения, частицы солей будут отсеиваться. Размеры нанопор зависят от дозы облучения. 

Тонкие пленки:

Атомно-слоевое осаждение (Atomic Layer Deposition - ALD) является тонкопленочной технологии которая позволяет покрывать практически любым материалом подложки любой формы. ALD в настоящее время используется в полупроводниковой промышленности для массового производства микропроцессоров, жестких дисков и чипов для памяти. Мы предлагаем расширить эту технологию для получения новых функциональных покрытий для разных приложений наноэлектроники, наномедицины и мембран. Успешное развертывание технологии ALD и GCIB позволит вывети казахстанскую науку на новый уровень.

Компьютерное моделирование:

Наноматериалы перспективны для различных технологических применений, однако трудно спроектировать такие материалы, так как соотношение между структурой и свойствами на наноуровне трудно изучаема экспериментальными методами. Нами предполагается использование передовыt вычислительные методов, для предсказывания отношение структура-свойство для наноразмерных материалов, позволяющих создавать новые перспективные материалы. Моделирования путем использования методов молекулярной динамики, теорий функционала плотности, Монте-Карло, конечных элементов и т.д. будет проводится на суперкомпьютерах.