Образец прозрачной керамики, которую создали физики УрФУ
Уральские ученые разработали технологию синтеза прозрачной нанокерамики. У такой керамики, в отличие от других материалов, улучшенные характеристики: повышенная радиационная, лазерная, термическая и механическая прочность. Такой материал будет востребован в электронной, оптической, оборонной, атомной, аэрокосмической, медицинской сферах и других отраслях. Его можно использовать в диапазоне температур от космического холода до ракетных двигателей. Цель же уральских ученых — создание ярких люминофоров и мощных лазеров на основе этого материала. Описание новой керамики опубликовано в Journal of the European Ceramic Society.
«В “классическом” методе создания прозрачной нанокерамики, который разработали в 1990-х годах, предполагается, что прозрачность достигается в результате спекания зерен между собой. Зерна разрастаются, а эффект рассеяния света снижается, — поясняет соавтор разработки, доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Арсений Киряков. — Мы, наоборот, сохраняем наноразмер у зерна в 20–30 нанометров за счет высокого давления. При этом зерна настолько компактно прилегают друг к другу, что нет крупных пор. Поэтому готовое изделие получается без трещин, примесных фаз, за счет чего достигается прозрачность».
Идея создания прозрачной нанокерамики родилась в ходе исследования кристаллических и аморфных широкозонных оксидов. Технологию синтеза таких объектов «подсмотрели» у алмазов. Однако цели применения алмазов и прозрачной нанокерамики отличаются.
«Мы использовали инструменты, которые применяют для синтеза наноалмазов, но заменили углерод на оксиды магния и алюминия. При этом температура в сравнении с “классическим” способом синтеза оптической керамики у нас ниже почти в три раза — вместо 1600–1700 градусов Цельсия — 600 градусов. Снижение температуры уменьшает энергоемкость, что обеспечивает большую экологичность и экономичность производства», — добавляет Арсений Киряков.
Особенность нанокерамики уральских ученых заключается в том, что в матрицу введены оптически активные центры, в том числе люминесцентные. Из-за этого нанокерамику можно использовать в качестве лазерных матриц, встраивая в них ионы различных элементов, а также более сложные наноструктуры, такие как квантовые точки.
«Когда мы производим накачку матрицы, эти оптически активные центры будут выдавать порцию энергии в виде лазерного излучения. По итогу получатся эффективные люминофоры, которые могут найти свое применение в качестве функционального материала для экранов смартфонов, ТВ, а также мощных твердотельных лазеров», — говорит Арсений Киряков.
Аналогичные технологии создания прозрачной нанокерамики существуют за рубежом, преимущественно в США, Китае. Но российским ученым удалось создать нанокерамику на другом оборудовании, попроще. По предварительным оценкам, уральская нанокерамика по характеристикам не уступает зарубежным аналогам. Однако пока о производстве такой нанокерамики в промышленных масштабах говорить рано. На сегодня у ученых есть только лабораторные образцы.
Отметим, работа по созданию прозрачной нанокерамики выполняется при финансовой поддержке по программе «Приоритет-2030» в научной лаборатории УрФУ «Гибридные технологии и метаматериалы — MetaLab». Работа проводится в рамках проекта «Разработка корпускулярно-фотонных технологий получения и модификации метаматериалов для плазмоники, спинтроники и нанофотоники».
«У нас достаточно широкий спектр исследований. По сути, мы работаем над созданием технологий по изготовлению новых материалов для преобразования энергии, — поясняет соавтор исследования, руководитель лаборатории УрФУ «Гибридные технологии и метаматериалы — MetaLab» Анатолий Зацепин. — Это самые разные материалы, которые могут быть использованы в различных функциональных устройствах и новых технологиях, в частности в лазерной технике, навигационных приборах, системах космической связи, в альтернативной энергетике (например, для солнечных батарей), в информатике и квантовых технологиях».
Справка
Специалисты лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы — MetaLab» разрабатывают технологии и метаматериалы — искусственно созданные материалы, которые не имеют аналогов в природе. Свойства таких материалов обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой. В качестве структурных элементов выступают не атомы и кристаллические решетки, а специальные искусственные элементы, из которых собирают новую структуру — в результате возникает новый материал с иными функциональными свойствами (оптическими, магнитными, электронными).
В составе коллектива новой лаборатории более 70% молодых людей. На сегодня лаборатория выполняет научный проект «Разработка корпускулярно-фотонных технологий получения и модификации метаматериалов для плазмоники, спинтроники и нанофотоники» под руководством члена-корреспондента РАН Николая Гаврилова, специалиста в области плазменных гибридных технологий.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Уральского федерального университета
