В НИЯУ МИФИ научились разрабатывать нанокомпозитные мембраны с заданными свойствами

Учёные 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. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале «Membranes»(внешняя ссылка).

Нанокомпозиты — это многофазные твёрдые материалы, в которых одна из фаз имеет один из трёх размеров менее 100 нанометров. Они применяются для проектирования и создания новых материалов с беспрецедентной гибкостью, а также для улучшения физических свойств существующих материалов. Такие материалы используются в мембранных технологиях для опреснения воды, фильтрации крови, разделения газов и жидкостей.

При изготовлении нанокомпозитов с новыми функциональными свойствами наночастицы внедряют в полимеры, чтобы улучшить селективность и проницаемость изготовленных из них мембран (тем самым повысив производительность работы мембранных установок), или чтобы создать мембраны для решения новых разделительных задач.

В качестве наночастиц при изготовлении нанокомпозитов лучше всего подходят углеродные нанотрубки, отметил молодой учёный, доцент кафедры молекулярной физики НИЯУ МИФИ Юрий Ерёмин.

«Из-за уникального разнообразия геометрических, структурных и физических характеристик углеродные нанотрубки позволяют получать композитные материалы с широким диапазоном свойств: структурных, прочностных, электромагнитных и оптических», — рассказал он.

По его словам, когда в полимер добавляют наночастицы, то при достижении определённой концентрации они начинают формировать связанные между собой структуры — «кластеры». Дальнейшее увеличение концентрации наночастиц приводит к объединению этих кластеров в 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 изменении размеров внедрённых частиц и линейных размеров матрицы.

«Увеличение длины углеродных нанотрубок приводит к увеличению 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.

Полученные результаты, по мнению исследователей, позволяют описать, как нелинейно меняются свойства полученных мембран при увеличении концентрации наночастиц. Учёные полагают, что макроскопические изменения (свойств нанокомпозитных материалов из полимеров и углеродных нанотрубок) связаны с характеристиками перколяционного кластера. Поэтому при моделировании свойств таких систем необходимо учитывать параметры перколяционного кластера с учётом фактических размеров мембраны и введённых наночастиц.

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.