Грант Чувашского государственного университета на реализацию проекта «Экспериментальные и теоретические исследования технологий создания новых гибридных металлоуглеродных наноструктур и разработка линейки сенсоров широкого функционального назначения»

Cкачать подробный отчет !

Ключевые слова:

Гибридные углеродные наноструктуры, нанопленки, наноматериалы, линейно-цепочечный углерод, аморфный углерод, углеродные нанотрубки, сенсоры, датчики, интеллектуальный анализ, нейронные сети, многофакторные вычислительные модели, геном.

Проект посвящен актуальной проблеме экспериментального и теоретического исследования технологий создания новых гибридных металлоуглеродных наноструктур (ГМУН) и разработке линейки сенсоров широкого функционального назначения.

Проект предусматривает создание «Генома гибридных металлоуглеродных наноматериалов» (ГГМУН). Под ГГМУН в проекте понимается совокупность многофакторных вычислительных моделей, созданных с помощью методов Науки о данных (нейронных сетей и других методов интеллектуального анализа данных), обобщающих зависимости электрофизических, оптических, структурных, сенсорных и других характеристик ГМУН от параметров технологий синтеза и видов внедряемых атомов; решающих прямые и обратные задачи; позволяющих прогнозировать характеристики еще не созданных структур и определять параметры технологий синтеза, обеспечивающие получение ГМУН с заданными характеристиками и свойствами.

Основой для создания  ГГМУН будут детальные экспериментальные исследования гибридных пленок линейно-цепочечного углерода (sp1-состояние), пленок углеродных нанотрубок и аморфного углерода. За счет внедрения в эти пленки атомов (кластеров атомов) различных элементов, принадлежащих различным группам (подгруппам) и периодам периодической таблицы Менделеева, можно будет получать ГМУН, обладающие уникальными электрофизическими, оптическими, механическими, сенсорными, топографическими и структурными характеристиками, разнообразными биологическими и химическими свойствами.Эти ГМУН смогут служить основой для разработки новых наноматериалов различного функционального назначения.

Основное внимание в проекте будет уделено созданию сенсоров с улучшенными газо- и парочувствительными характеристиками.

В основе проекта многолетний опыт работы членов коллектива в области синтеза тонкопленочных углеродных систем и методов Науки о данных.

При выполнении проекта будут использованы уникальные технологии, разработанные заявителями и защищенные патентами, а также ряд ноу-хау.

Анализ литературы показал, что подобных проектов в России, в настоящее время, нет.

За рубежом, в рамках программы “Materials  Genome Initiative”, похожие работы проводятся в США и ряде других стран.

Научный руководитель научной школы (гранта Чувашского госуниверситета) д.ф.-м.н., заведующий кафедрой прикладной физики и нанотехнологий, профессор Абруков В.С. (abrukov@yandex.ru)

Основные исполнители: Смирнов А.В., инженер, руководитель научными проектами СКБ «Синтез наноматериалов» кафедры прикладной физики и нанотехнологий; Ануфриева Д.А., аспирант  кафедры прикладной физики и нанотехнологий; Казаков В.А., доцент кафедры прикладной физики и нанотехнологий, инженер ООО «Хевел»; Кокшина А.В.,  кафедры прикладной физики и нанотехнологий; Васильева О.В., доцент кафедры прикладной физики и нанотехнологий.

Исполнитель проекта – аспиранты кафедры прикладной физики и нанотехнологий Тюнтеров Е.С. и Петров Д.В., студент кафедры прикладной физики и нанотехнологий Степанов К.В., члены Ассоциации молодых физиков Чувашии

ОСНОВНЫЕ ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

- Выполнено исследование режимов термического окисления Cu для получения оксидов меди и системы оксид меди/линейно-цепочечный углерод (ЛЦУ) на твердых подложках. Исследованы структурные (сканирующая электронная микроскопия, рентгеновский фотоэлектронный анализ) и электрофизические характеристики тонких плёнок CuO, Cu2O, NiO, металлоксидных пленок с углеродными нанотрубками и ЛЦУ. Практическая значимость исследования заключается в том, что полученный газовый датчик на основе тонкопленочной системы Сu2O+ЛЦУ (250⁰С-60 мин) может быть применён в приборах для проверки наличия метанола в алкоголе, так как отсутствует чувствительность к этанолу. Образцы с чувствительностью более 240 % к метанолу (при высоких концентрациях ppm) могут быть внедрены в газоанализаторы контроля утечек метанола в альтернативных источниках энергии -  топливных метанольных элементах. Образцы с чувствительностью 20-40 % к парам этанола перспективны в системах детекции алкоголя (алкотестерах и др.).

Проведены исследования на энергоэффективность сенсорных элементов, при нагреве 100-200⁰С, при комнатных и околокомнатных температурах. Последние – перспективны, так как не требуют нагрева.

- Проведены эксперименты по изготовлению наноуглеродных пленок различной морфологии и определению их газочувствительности к различным газам (построены нейросетевые модели, в частности, по газочувсвтительным свойствам на пары метанола).

- Синтезирован чувствительный элемент датчика влажности потенциометрического типа с выходным сигналом – ЭДС между пленочными электродами. Датчик показал хорошую чувствительность и быстрый отклик. Благодаря развитым поверхностным и структурным особенностям (изгибам углеродных цепочек с атомами углерода) ЛЦУ-пленка повышает чувствительность создаваемой структуры.

-  Получены пиротехнические аэрозолеобразующие составы. Пиротехнические аэрозолеобразующие составы являются эффективными пожаротушащими средствами из-за высокой удельной поверхности образующихся дисперсных частиц наноразмерного диапазона.

- Исследованы оптические свойства нанопленок углерода в sp1 (линейно-цепочечный углерод), sp2 (аморфный углерод) и sp3 (алмазоподобный углерод) - гибридизированныхом состоянии.  Предложен метод определения фазового состава углеродных пленок различных состояний sp-гибридизации, основанный на измерении спектров пропускания в видимой области спектра (метод линейной регрессии, метод нейронных сетей).  Предложен метод определения фазового состава пленки по результатам только одного измерения оптического пропускания на любой длине волны видимой части спектра при известных температуре и времени отжига и известном оптическом пропускании на той же длине волны для пленки, не подвергнутой отжигу (нейронные сети, метод дерева решений).  Полученные результаты могут быть также использованы для определения температуры начала термического окисления углеродных образцов и определения массового содержания sp3-фазы в алмазоподобных углеродных пленках.

- Созданы калькуляторы ИНС, обобщающие результаты экспериментальных исследований влияния транс-полинорборненового и базальтового волокна на характеристики резиновой смеси на основе каучуков общего назначения (изопрена СКИ-3, бутадиен-метилстирола СКМС-30АРК и бутадиена СКД).

- Нейронные сети представлены в качестве методологической основы Генома материалов, представляющего собой информационно-аналитическое и вычислительное средство, которое: содержит все связи между всеми переменными объекта; позволяет вычислять значения одной части переменных через другие; позволяет решать прямые и обратные задачи; позволяет прогнозировать характеристики объектов, еще не исследованных экспериментально; позволяет прогнозировать параметры технологии для получения объекта с заданными характеристиками, а также позволяет проводить виртуальные эксперименты для условий, которые невозможно или трудно организовать. Возможные области использования нейронных сетей — разработка новых материалов и их производство

Опубликованы научные статьи в изданиях из перечня БД Scopus:

1. Morphology and elemental composition of whiskers of potassium carbonate in a pyrotechnic flame. S. I. Ksenofontov, K. Yu. Tashkova, A. N. Lepaev, O. V. Vasilyeva, A. G. Razina,V. S. Abrukov, D.A.Anufrieva, A. V. Kokshina, V. A. Kazakov, A. V. Smirnov. // St. Petersburg Polytechnical University Journal-Physics and Mathematics. Special Issue. November, 2023. (в печати - выйдет в ноябре)

2. V. A. Kazakov, V.S. Abrukov, A. V. Kokshina, A. G. Razina, A.V. Smirnov, D.A. Anufrieva, O. V. Vasilyeva, S. I. Ksenofontov, A. N. Lepaev Investigation of the optical properties of carbon nanofilms in sp, sp2, sp3-hybridized states and their use to determine the phase composition of carbon. // St. Petersburg Polytechnical University Journal-Physics and Mathematics. Special Issue. November, 2023. (в печати - выйдет в ноябре)

3. A.V. Smirnov, V.S. Abrukov, P.S. Platonov, D.A. Anufrieva, A. V. Kokshina, V. A. Kazakov, D.V. Petrov, O. V. Vasilyeva, S. I. Ksenofontov, A. N. Lepaev Application of linear chain carbon films for sensitive elements of humidity sensors. // St. Petersburg Polytechnical University Journal-Physics and Mathematics. Special Issue. November, 2023. (в печати - выйдет в ноябре)

4. И.Д. Тихонов, А.В. Смирнов, Е.С. Тюнтеров. Исследование газочувствительных свойств наноуглеродных пленок. // Известия вузов. Физика/ Томский государственный университет (ТГУ) . — 2023 - № 12. (в  печати - выйдет в декабре)

Опубликованы научные статьи в изданиях, включенных в RSCI:

1. Е. С. Тюнтеров, В. С. Абруков, А.В. Смирнов, Д.В. Петров. Методология разработки тонкопленочных систем с заданной газочувствительностью для хеморезистивной газовой сенсорики без источников питания // Наноиндустрия. – 2023. – Т. 16, № 1(118). – С. 22-29. – DOI 10.22184/1993-8578.2022.16.1.22.28

2. А.В. Смирнов. Синтез и исследование нанокомпозитов  пленок оксида никеля и линейно-цепочечного углерода  // Наноиндустрия. – 2023. – № 2(118). DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.132.137

3. А.В. Смирнов.  Косвенный метод определения толщины тонких пленок металлов по интерференционному эффекту на пленках селена  // Наноиндустрия. – 2023. – № 2(118). DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.124.129

Опубликованы научные статьи  в изданиях, включенных в иные международные базы данных

1. Abrukov VS, Pang W, Anufrieva DA (2023) Neural networks are a methodological basis of materials genome. Trends Comput Sci Inf Technol 8(1): 012-015. DOI: https://dx.doi.org/10.17352/tcsit.000063

2. Abrukov VS, Konnova KA, Egorov EN, Anufrieva DA, Koltsov NI. Neural Network Calculator of Rubber Characteristics with Improved Properties. Ann Adv Chem. 2023; 7: 064-067. DOI: 10.29328/journal.aac.1001045

Перечень заявок, поданных членами научного коллектива на конкурсы грантов научных фондов:

• Заявки на гранты РНФ:

24-23-00526. «Разработка основ Генома гибридных углеродных наноструктур с помощью методов Науки о данных: эксперимент, моделирование, синтез». Абруков В.С. Конкурс РНФ 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» ФГБОУ ВО "ЧГУ им. И.Н. Ульянова"

24-22-00328. «Разработка технологии создания и исследование энергоэффективных селективных хеморезистивных газовых сенсоров на основе композитов наноструктурированного sp1-углерода и металлоксидных полупроводниковых пленок». Смирнов А.В. Конкурс РНФ 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

24-13-00437. Разработка многофакторных вычислительных моделей горения и детонации высокоэнергетических материалов с помощью методов Науки о данных. Абруков В.С. Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»,  ФГБОУ ВО "ЧГУ им. И.Н. Ульянова".

24-12-00402. Исследование газочувствительных свойств наноуглеродных композитов на основе пленок карбина. Смирнов А.В. Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»,  ФГБОУ ВО "ЧГУ им. И.Н. Ульянова".

Поданы 5 заявок на грант по программе УМНИК.

Науч. рук. Смирнов А.В., Абруков В.С.

Заявители – студенты Степанов, Баласанян, Крымов, магистрант Тихонов, аспирант Анисимов -  члены Ассоциации молодых физиков Чувашии 

Заявки на РИД:

1.  Решение о выдаче патента по Заявке на патент РФ № 2023114486/09(030898) (полезная модель) от  01.06.2023 г. «ГАЗОВЫЙ ДАТЧИК ПАРОВ ЭТАНОЛА И МЕТАНОЛА».

Авторы: Платонов П.С., Смирнов А.В., Петров Д.В., Казаков В.А., Абруков В.С., Иваницкий А.Ю.

2. Заявка патент на изобретение РФ

«ГАЗОВЫЙ ДАТЧИК ПАРОВ ЭТАНОЛА И МЕТАНОЛА». Авторы: Платонов П.С., Смирнов А.В., Петров Д.В., Казаков В.А., Абруков В.С., Иваницкий А.Ю.

Прошла положительную формальную экспертизу. На данный момент на экспертизе по существу.