Учёные Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) математически смоделировали внедрение углеродных нанотрубок в полимеры. Это поможет ускорить процесс создания новых нанокомпозитных материалов с заданными свойствами, которые могут применяться в мембранных технологиях для опреснения воды, фильтрации крови, разделения газов и жидкостей.
Нанокомпозиты применяются для проектирования и создания новых материалов с высокой гибкостью, а также для улучшения физических свойств существующих материалов. При изготовлении нанокомпозитов с новыми функциональными свойствами наночастицы внедряют в полимеры, чтобы улучшить селективность и проницаемость изготовленных из них мембран. Это повышает производительность работы мембранных установок и создаёт мембраны для решения новых задач.
«В качестве наночастиц при изготовлении нанокомпозитов лучше всего подходят углеродные нанотрубки. Их уникальное разнообразие геометрических, структурных и физических характеристик позволяет получать композитные материалы с широким диапазоном свойств — структурных, прочностных, электромагнитных и оптических», — рассказывает молодой учёный, доцент кафедры молекулярной физики НИЯУ МИФИ Юрий Ерёмин.
По его словам, когда в полимер добавляют наночастицы, при достижении определённой концентрации они начинают формировать связанные между собой структуры — кластеры. Дальнейшее увеличение концентрации наночастиц приводит к объединению этих кластеров в единую связную структуру (так называемый перколяционный кластер), который равномерно распределён по всему материалу и связывает между собой противоположные грани. Свойства полимеров, например электропроводность, в этом случае изменяются скачкообразно.
Сотрудники кафедры молекулярной физики НИЯУ МИФИ выполнили численное моделирование таких структур. Исследователи изучили разные параметры перколяционных кластеров из углеродных нанотрубок и установили, что они значительно меняются при регулировании размеров внедрённых частиц и линейных размеров матрицы.
«Увеличение длины углеродных нанотрубок приводит к росту мощности перколяционного кластера при той же концентрации, а уменьшение толщины матрицы с одной стороны приводит к уменьшению концентрации, при которой формируется перколяционный кластер, но с другой стороны приводит к нелинейному уменьшению его мощности, то есть доли матрицы, на которую влияют введённые частицы», — пояснил Юрий Ерёмин.
С помощью выявленных закономерностей учёные планируют предсказывать оптимальную концентрацию углеродных нанотрубок, которую необходимо внедрить в полимер для эффективного улучшения его свойств — таких как электропроводность, прочность, проницаемость и т. д. По их мнению, результаты работы помогут ускорить процесс создания новых материалов из полимеров и углеродных нанотрубок. Исследование выполнено в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030» (нацпроект «Наука и университеты»).
