В ФИЦ ПХФ и МХ РАН созданы новые материалы для металлогидридных источников тока

Ученые Комплекса лабораторий водородного материаловедения ФИЦ Проблем химической физики и медицинской химии РАН изучили перспективы использования композиционных материалов для создания металлогидридных источников тока нового поколения.

 Черноголовка, 16.02.2024 – ФИЦ ПХФ И МХ РАН

Результаты работы опубликованы (https://link.springer.com/article/10.1134/S0018143923080246) в журнале High Energy Chemistry.

Современные металлогидридные источники питания считаются надежными и безопасными в эксплуатации при относительно высокой энергоэффективности и дешевизне производства. Никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы (НМГА) нашли широкое применение в портативных электронных устройствах благодаря высокой плотности энергии, циклической стабильности, устойчивости к перезаряду и хорошей совместимости с окружающей средой.

Металлогидридные щелочные топливные элементы (МГТЭ) могут работать в широком температурном интервале и не требуют катализаторов из драгоценных металлов. Кроме того, система может заряжаться как электрохимически, так и газообразным водородом. Также перенапряжение на металлогидридном аноде будет способствовать выделению водорода и может быть использовано для электрохимической генерации водорода.

То, насколько металлогидридные источники тока  будут производительны, определяется материалами катода, анода и электролита, плотностью контакта между активным веществом и тоководом. Повысить эффективность таких источников тока можно модифицированием электродов или электролита. Одним из таких способов стало использование новых композитных материалов, которые и рассмотрели исследователи в тесном сотрудничестве с иностранными исследовательскими группами ЮАР, Индии, Китая, Норвегии и Германии.

В своих работах авторы изучали интерметаллические соединения так называемого АВ₅ — типа, где А – редкоземельный металл, B – переходный металл. Они смогли показать, что интерметаллиды с небольшими вариациями содержания лантана, никеля, кобальта и неодима обладают высокими кинетическими характеристиками и хорошей циклической стабильностью.  Исследуемые электроды с интерметаллидами активируются уже к третьему циклу заряда-разряда. Максимальная емкость электродов после активации составляла 300–325 мАч/г при плотности тока 100 мА/г.

 «В настоящей работе мы обобщили накопленный экспериментальный материал по разработке электродных материалов для никель-металлогидридных источников тока. По нашему мнению, многие из этих материалов могут оказаться перспективными», — комментирует публикацию руководитель группы металлогидридных источников тока ФИЦ ПХФ и МХ РАН, первый автор статьи Алексей Володин.

В  ФИЦ ПХФ и МХ РАН разработали инновационные органические электродные материалы для калий-ионных аккумуляторов.

Черноголовка, 16.02.2024 – ФИЦ ПХФ и МХ РАН

Российские исследователи разработали перспективные органические электродные материалы для калий-ионных аккумуляторов. Работы прошлых лет, отмеченные публикациями в известных международных журналах, дополнились новыми статьями в Journal of Power Sourсes и Molecules. Материалы, полученные учеными, показали высокие удельные емкости и энергоемкости, а также хорошую циклируемость. Короткие времена заряда/разряда разработанных калиевых источников тока на органической основе позволяют их рассматривать как альтернативу суперконденсаторам.

С каждым годом наша жизнь становится все более интересной и увлекательной из-за появления на рынке разнообразной портативной электроники. Если начиналось все с мобильных телефонов и ноутбуков, то сейчас нас окружают гаджеты на все случаи жизни. Популярной становится и электрификация транспорта: всего каких-то десять лет назад «Тесла» была диковинкой, а теперь мы все катаемся на электробусах в Москве. Наша столица лидирует в Европе по степени электрификации общественного транспорта. На первый взгляд, может показаться, что в стремительном наступлении технического прогресса  нет ничего негативного, но есть скрытая угроза, из-за которой будущее может вскоре стать не таким уж радужным, например, в момент, когда цены на привычную нам технику взлетят до небес, а электромобили станут непозволительной роскошью.

Рис 1. Рост цены на литий в Китае

Общая часть всей современной электроники – это литий-ионный аккумулятор, в котором много лития. А литий – это химический элемент, который встречается редко, как правило, в небольших количествах. Только отдельные страны могут похвастаться значительными месторождениями лития, например: Чили, Австралия, Аргентина, Китай и некоторые другие. Но даже если извлечь весь литий, который есть в земной коре, и сделать из него литий-ионные аккумуляторы, их просто не хватит для электрификации мирового транспорта. Ситуация обостряется тем, что литий очень плохо извлекается из отработавших свой срок аккумуляторов. Осознание острой нехватки лития в мире привело к взлету цен на его соединения: они выросли пятикратно в конце 2022 – начале 2023 гг.

Очевидно, что нужна альтернативная технология хранения энергии – не литиевые аккумуляторы, а какие-то другие, которые работают без лития, но при этом дают сопоставимые технические характеристики. Самой логичной заменой литию будет натрий и калий – это близкие по природе химические элементы, которые находятся в той же группе периодической таблицы, что и литий. Однако натрия и калия много как в земной коре, так и в мировом океане – эти ресурсы почти безграничны. Потому стоимость натрия и калия на порядки ниже, чем лития.

К сожалению, просто так взять и заменить литий в аккумуляторе на натрий или калий не получится. Нужны принципиально новые материалы, а найти их среди неорганических соединений не так просто.

Инновационный подход в этой области разрабатывается в ФИЦ ПХФ и МХ РАН. Именно здесь неорганические катоды и аноды решили заменить на органические соединения, так как они не имеют жесткой кристаллической решетки, то есть с легкостью принимают не только катионы лития, но также калия и натрия. Рекордная энергоемкость калий-ионных аккумуляторов была достигнута с использованием органических катодов, разработанных в Институте проблем химической физики РАН в 2019 году. Сейчас энергоемкость нового органического катода составила 696 Вт*ч/кг. Эта величина никак не уступает характеристикам наиболее часто применяемых в промышленности неорганических катодов. Однако для создания калий-ионного аккумулятора нужны не только катодные материалы, но и анодные – решением стало использование нового класса редокс-активных полимеров, показавших высокие и обратимые емкости. 

Рис. 2 Принцип работы нового типа аккумулятора

Молодежная лаборатория в ФИЦ ПХФ и МХ РАН активно продолжает свои исследования, направленные на разработку металл-ионных аккумуляторов на органической основе. Так, в последней работе, вышедшей в журнале Molecules и описывающей материал на основе сополимера из производных антрахинона, был сделан значительный шаг вперед в сфере обеспечения долговременной стабильности аккумуляторов.

«Разработка нового полимерного катодного материала на основе антрахинона и хинизарина позволила улучшить характеристики как литиевых, так и калиевых источников тока. Для литиевых ячеек мы получили стабильную разрядную емкость >400 мА*ч/г и стабильную работу в течение 1000 заряд-разрядных циклов, что не уступает показателям лучших неорганических электродных материалов. Для калиевых ячеек мы продемонстрировали >3000 заряд-разрядных циклов без потери емкости, что является одним из рекордов для данного типа устройств».

Заведующая лабораторией, к.х.н. Краевая Ольга Александровна

Интервью по итогам: Институт экспериментальной минералогии им. академика Д.С. Коржинского РАН провел в Черноголовке IV Научную конференцию «В кильватере большого корабля: современные проблемы магматизма, метаморфизма и геодинамики»

Черноголовка, 26.11.2023 – Дом ученых НЦЧ РАН

 Участники:
Аранович Леонид Яковлевич, академик Российской Академии наук.
Главный научный сотрудник Института геологии рудных месторождений,
петрографии, минералогии, геохимии Российской Академии наук.

Перчук Алексей Леонидович, заведующий кафедрой петрологии и вулканологии
геологического факультета Московского государственного университета.

Сафонов Олег Геннадьевич, директор Института экспериментальной минералогии им. академика Д.С. Коржинского, профессор кафедры петрологии и вулканологии геологического факультета Московского государственного университета.

Плечов Павел Юрьевич,  Директор минералогического музея им. А.Е. Ферсмана Российской академии наук, профессор кафедры петрологии и вулканологии геологического факультета Московского государственного университета.

24-25 ноября 2023 г. в Большой Гостиной Дома ученых НЦЧ РАН прошла IV Научная конференция «В кильватере большого корабля: современные проблемы магматизма, метаморфизма и геодинамики», посвященная 90-летию со дня рождения заслуженного профессора МГУ Леонида Львовича Перчука.

Л.Л. Перчук — выдающийся российский геолог, получивший всемирную известность благодаря своим трудам в области общетеоретических проблем физико-химической петрологии, метаморфической петрологии, экспериментального моделирования минеральных реакций и процессов плавления, термодинамики минералов, а также численного моделирования геодинамических процессов. Сформулировал принцип гравитационного перераспределения пород в земной коре при процессах глубинного метаморфизма, который позволил объяснить широкое проявление высокотемпературных метаморфических комплексов на поверхности Земли.

Дом ученых: Уважаемые коллеги, это уже четвертая конференция, посвященная Л.Л. Перчуку и направлениям исследований, связанных с его научной деятельностью. Как меняется состав участников, содержание докладов, само наполнение конференции?

Аранович Леонид Яковлевич: Во-первых, надо отметить, что первые две конференции проводились еще при жизни нашего учителя, руководителя.  Если на первой конференции в основном обсуждались достижения в развитии его главных научных открытий, то уже в последующих двух конференциях —  методы, которые он разработал и внедрил в практику. Они стали общепризнанными, и на этой основе обсуждались представления о самых разнообразных, эволюционных процессах, связанных с эндогенной {1} деятельностью нашей планеты. 

Перчук Алексей Леонидович: В первых конференциях участвовали в основном ученики Леонида Львовича, и количество участников было небольшим. А сейчас съезжаются ученые со всей нашей страны.  Так, в рамках этой конференции у нас выступили участники от Петрозаводска до Иркутска, а также наши зарубежные коллеги из Швейцарии и США.  Если первые конференции, в основном, были посвящены метаморфическим процессам, термодинамике, то сейчас всё больше и больше уделяется внимания геодинамическим процессам, тектоническим движениям (поднятию и опусканию земной коры, складчатости, образованию крупных элементов рельефа, движению литосферных плит, землетрясениям), процессам магматизма (выплавлению, перемещению и застыванию магмы), метаморфизму горных пород и формированию месторождений полезных ископаемых.

На конференции, в частности, был совершенно выдающийся доклад, который рассматривает вероятность существования высокотехнологичных цивилизаций на экзопланетах (Геря Т.В. Continents, oceans and plate tectonics shape the planetary conditions for the development of advanced life: quest for the missing extraterrestrial civilizations). Кроме того, у нас все больше появляется тем,  посвященных исследованиям глубинных оболочек Земли. Примерами могут служить доклады «Экспериментальное изучение индикаторных реакций модального мантийного метасоматоза» (Бутвина В.Г., Лиманов Е.В., Воробей С.С., Якушик М.А., Голунова М.А., Сафонов О.Г., Ван К.В.), «Эволюция магматизма в островодужных системах» (Плечов П.Ю. Минералогический музей им. А.Е.Ферсмана РАН, Москва). То есть спектр исходных интересов и тем расширяется во всех направлениях, но так или иначе это связано с основными идеями Леонида Львовича в направлениях исследований метаморфизма, магматизма и геодинамики.

Дом ученых: Очевидно, что тематика конференции очень актуальна для сегодняшнего дня. Мы наблюдаем, что меняется поведение земной коры. Разрушительных землетрясений и извержений вулканов стало больше за последние годы… 

Сафонов Олег Геннадьевич: Действительно, у нас происходят ежечасно какие-то изменения в коре, мы их можем наблюдать.  Но проблема в том, что много процессов происходило давным-давно и на больших глубинах. На конференции были доклады, в которых говорилось про породы, которые формировались миллиарды лет назад. Про породы и минеральные ассоциации, которые мы даже не видим сейчас на поверхности, но мы можем, например, их изучать, опять же, благодаря экспериментам, на что направлена деятельность Института экспериментальной минералогии. Мы можем воспроизвести те процессы, те минеральные реакции, те преобразования, которые происходят на глубине.

Дом ученых: Каким образом вы находите предмет для такого воспроизведения-изучения?  Вы извлекаете образец породы, изучаете его, а потом уже пытаетесь воспроизвести в лаборатории?

Сафонов Олег Геннадьевич: В первом приближении — да. Я всегда в своём институте настаиваю на том, чтобы природные данные и эксперименты шли совместно.  То есть, мы съездили «в поле», собрали какой-то материал по какому-то комплексу, а потом воспроизвели эти процессы, которые проходили в этом комплексе миллионы, а то и миллиарды лет назад, в эксперименте — это очень интересно.

Плечов Павел Юрьевич: Я вспоминаю, что Леонид Львович Перчук, памяти которого посвящена эта конференция, оставил после себя много ярких фраз. Две фразы очень актуальны. Первая — «Главное метод, а объекты приложатся». Мы —  наследники  развития этого метода, в первую очередь количественного метода – петрологии {2}, который позволяет находить все больше и больше объектов, которые мы можем изучать. Вторая —  «Не бывает законов геологии, бывают законы физики». Поэтому вот такой стык, когда мы работаем между геологией, разнообразными, очень интересными объектами, но которые очень трудно объяснить, и  физикой —  базовыми  методами,  собственно, и дает нам направление движения. 

Сафонов Олег Геннадьевич: …И это во многом объясняет присутствие Института Экспериментальной Минералогии среди физиков и химиков в Черноголовке. ИЭМ вышел из ИФТТ. Идея образования Института экспериментальной минералогии состояла в том, чтобы работать в тесной кооперации с физиками и химиками. 

Дом ученых: Можно ли говорить о том, что те исследования, которые сейчас проводятся (тех пород и процессов, которые происходили миллиарды лет назад) имеют какую-то цикличность, и мы можем на основании этих данных уже предсказывать развитие определённых процессов в коре в сегодняшний день?

Сафонов Олег Геннадьевич: Безусловно. Наука должна иметь предсказательную функцию. Более того, в геологии даже есть такой термин “принцип актуализма”. То есть те процессы, которые мы наблюдаем сейчас, могли происходить и происходили миллионы, миллиарды лет назад, и наоборот, те процессы, которые происходили миллиарды, миллионы лет назад, должны происходить и сейчас. Конечно, с какими-то вариациями, зависящими от длительной эволюции планеты Земля. 

Перчук Алексей Леонидович: Я бы лишь отчасти согласился с этим утверждением. Наша планета на самых ранних стадиях развития была совершенно другой, не похожей на ту, на которой мы живем сейчас. Раньше был огромный магматический океан и не было континентов.  То есть, вы интересуетесь корой, на которой мы сейчас живем, а был период, когда континентальной коры не было вовсе. Кора, которая называется океанической, имела другой состав слагающих пород. Когда зародилась тектоника плит —  до сих пор предмет дискуссии. Появились плиты, началось движение, начались тектонические процессы, они были совершенно другими. Образовывались породы, которые сейчас уже не образуются, появлялись структуры, которых сейчас уже нет. Собственно, поэтому, когда мы наблюдаем породы и магмы, которые образуются сейчас, далеко не всегда можно уйти вглубь веков, чтобы понять, как выглядела планета. То есть это скорее эволюция, а не цикличность.

И как один из инструментов изучения этой древней Земли применяется геодинамическое моделирование. То есть мы берем ту физику, ту механику пород, ту химию пород, и закладываем в мощные суперкомпьютеры, которые нам показывают, как  развивался процесс, и уже в этой модели мы закладываем другие температуры мантии. Таким образом, мы можем увидеть, какой эта планета была в то время, и сравнить с теми породами, которые изучают сейчас. Так мы познаем, что такое Земля.

Дом ученых: Если говорить о докладах на этой конференции, что бы Вы выделили из результатов, которые действительно стали новым словом в минералогии? 

Плечов Павел Юрьевич: Мне кажется, на каждой секции были какие-то доклады, то, что называется breakthrough, новые горизонты, новые направления. При этом они уже подтверждены публикациями в ведущих журналах и открывают большие перспективы. 

Аранович Леонид Яковлевич:  На мой взгляд, очень интересным был доклад профессора МГУ Алексея Арискина на тему унаследования элементами платиновой группы интрузий (Re-Оs изотопная систематика довыренских ультрамафитов, Сu-Ni-сульфидных руд и ЭПГ-анортозитов Арискин А.А. 1, 2, Тессалина С.Г. 3, Кислов Е.В. 4, Пшеницын И.В. 2, Николаев Г.С. 2, Соболев С.Н. 2 1МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, ariskin@rambler.ru 2ГЕОХИ РАН им. В.И. Вернадского, Москва 3Центр изотопных исследований университета Кертина, Перт, Австралия 4Геологический институт им Н.Л. Добрецова СО РАН, Улан-Удэ).

Плечов Павел Юрьевич: Нужно в целом подчеркнуть очень хороший уровень конференции, несмотря на то, что она небольшая, уровень вполне отвечает международному. И скорее стоит выделить актуальные, прорывные направления исследований, а не только конкретные результаты.  

Перчук Алексей Леонидович: Из того, что может быть было бы интересно жителям Черноголовки, можно выделить доклад, посвященный Камчатке. Это область активного вулканизма. Нам рассказали о том, какие глубинные процессы формируют три основные вулканических центра. И насколько непохожей еще 5 млн лет там была обстановка.

Также мы узнали о вулканах на Кавказе. По природной логике там не должен быть вулканов с таким типом лавы, а вот геофизическое моделирование и использование тонких геохимических методов датирования раскрыли перед нами «все карты».  Предсказано, что в достаточно обозримом будущем здесь могут снова начаться катастрофические извержения. 

У нас была замечательная экскурсия в одном из докладов в Южную Африку. В свое время Леонид Львович восстанавливал вполне определенный характер метаморфической эволюции древнейших пород, развитых там. А сейчас было проведено более детальное обобщение всех данных, и выяснилось, что даже классик в чем-то ошибался. Там были показан принципиально иной характер  метаморфической эволюции, которая открывает перспективы для несколько иной интерпретации геодинамических условий на границах небольших континентальных блоков,  существовавших почти 3 млрд лет назад. 

Коснулись  проблемы зарождения микро- и наноалмазов.  Один из докладчиков рассказал, что в складчатых областях Урала, в породах, в которых никто никогда и не предполагал наличие алмазов, они нашлись (Постмагматическая стадия формирования алмазов в кимберлитах Симаков С.К. 1, Стегницкий Ю.Б. Вилюйская ГРЭ, АК «АЛРОСА» (ПАО)191036, г. Санкт-Петербург).

Были  и изумительные доклады о  лаве.  Мы привыкли, что продукты застывания лав похожи на обычное стекло, но если посмотреть более внимательно, то можно увидеть что это субстанция, которая по структуре напоминает «авоську». Она переполнена очень изящными красивыми порами, через которые выходил наружу флюид. И продуктом эволюции этих структур являются очаровательные агаты, которые формируются и живут при вполне определенных условиях. Буквально в каждой секции, каждый доклад действительно заслуживает внимания.

Плечов Павел Юрьевич: Очень активные дискуссии идут и на докладах, и в кулуарах, потому что это всё живые темы, это всё новое для науки, и все очень горячо, это обсуждают между собой. Это не дежурные доклады на заданную тему.

Дом ученых:   Олег Геннадьевич, чему были посвящены доклады сотрудников  Института экспериментальной минералогии в Черноголовке? 

У нас было много докладчиков. Был доклад о взаимодействии магматических расплавов с водородом, например, по метаморфической петрологии, опять же про Южную Африку. От нашего института принимают участие 10 сотрудников.

Если брать спектр научных учреждений, принимавших  участие в конференции  — то он очень внушителен.  Это МГУ, ИЭМ, ИГЕМ, ГИН, Санкт-Петербургский университет, Институт геологии и геохронологии докембрия, Карельский научный центр, институты из Иркутска, Новосибирска, Петрозаводска, Высшая технологическая школа в Цюрихе, Университет Оригона..  У нас очень широкая география! 

Дом ученых: Что касается полезных ископаемых. Эти исследования помогают каким-то образом анализировать, находить, предполагать, где могут быть месторождения. Это возможно?

Плечов Павел Юрьевич: Да, но это не прямой путь, мы не занимаемся конкретно поиском и разведкой полезных ископаемых, но именно петрология дала очень много полезных практических методов по поиску. Алмазы в Сибири, например, были предсказаны «на кончике пера», именно благодаря петрологическим исследованиям.

Аранович Леонид Яковлевич: Был также важный доклад по возможной эволюции флюидных включений в минералах. А флюидные включения в минералах рудных месторождений — это один из главных методов поиска и оценки перспективных рудных залежей.  И без понимания этой эволюции невозможно интерпретировать те или иные факты.

Прямой связи с поиском месторождений нет, но косвенная – очень важная, и результаты, которые мы получаем, будут использоваться уже теми компаниями, которые непосредственно занимаются разведкой и добычей. 

Сафонов Олег Геннадьевич:  Я бы еще добавил,  что в исследовании Арискина с соавторами говорится о моделировании (создана термодинамическая программа, которая моделирует кристаллизацию минералов, в том числе и рудных, из магматического расплава)  образования расслоенных плутонов. Самые крупные сульфидные медно-никелевые месторождения, хромититы, минералы элементов группы платины и палладия —  находятся именно в таких крупных магматических комплексах.

Плечов Павел Юрьевич: У нас и по Норильскому месторождению много работают людей. Понятно, что Норильское месторождение уже известно и разведано. Это позволяет строить некие модели и предсказывать, где еще можно искать такие месторождения. 

Дом ученых: Если сравнивать российскую школу петрологии и минералогии с мировыми школами, как бы вы ее оценили?

Я бы не выделял лидеров в других странах, наша школа петрологии всегда была на высоком уровне. В России работают признанные корифеи этой науки. Наука интернациональна. И дружеские контакты играют очень важную роль, сейчас это особенно сильно проявляется.  Дружба в науке побеждает все. 

Примечания:

1. Эндогенные процессы — процессы, связанные с энергией недр Земли.
2. Петрология — наука, предметом изучения которой являются процессы формирования магматических и метаморфических горных пород, их минералогический и химический состав, структурно-текстурные особенности, условия залегания.

В Институте физики твердого тела РАН разрабатывают высокочувствительные датчики деформации на базе аморфных микропроводов.

Черноголовка, 23.11.2023 – Дом ученых НЦЧ РАН

 Измерение напряжений и деформаций является одной из ключевых технологических задач современности. Лучшие датчики деформации позволяют достичь точности измерения порядка 1 мкм/м и обладают хорошими эксплуатационными характеристиками. Такие датчики, в частности, используются для измерения деформации дорожных покрытий, фасадов зданий и несущих конструкций.

Сегодня важным вопросом является повышение точности датчиков, а также  снижение их стоимости. Возможное решение этой проблемы — подбор новых типов материалов, например, аморфных сплавов [1] на основе железа. Обладая хорошими механическими характеристиками, они обладают широким спектром магнитных свойств, которые влияют на их напряженно-деформированное состояние. Научная группа ИФТТ РАН [2] занимается исследованием магнитной структуры и магнитных свойств аморфных микропроводов [3], а также изучением процессов кристаллизации таких объектов. 

Рис. 1 – Микрофотография аморфного микропровода в стеклянной оболочке

«Исходя из анализа полученных нами данных, следует, что точность измерения деформации в таких датчиках  может достигать 0,1 мкм/м или ниже, также в таких проводах радиационные дефекты слабо сказываются на свойствах материала. Это позволяет создавать и использовать датчики на основе аморфных микропроводов в средах, содержащих ионизирующее излучение, — говорит Олег Аксенов, научный сотрудник Лаборатории структурных исследований ИФТТ РАН. — Существуют попытки создания датчиков напряжения на основе аморфных микропроводов, но описанные в рамках патентов устройства имеют ряд недостатков (сложность измерения локальных механических нагрузок, высокие погрешности измерения, чувствительность к внешним полям и т.д.). Задача нашей команды в ИФТТ – устранить данные недостатки и увеличить чувствительность таких устройств».

В 2022 году команда ученых ИФТТ  получила поддержку Фонда содействия инноваций. В результате работы был разработан прототип датчика деформации с точностью измерения деформации 0,01 мкм/м. На данный момент такие датчики являются одними из наиболее чувствительных датчиков деформации в мире, более того, они одни  из самых дешевых в данном классе (стоимость производства такого датчика не превышает 1000 рублей).

Рис. 2 – Прототип разработанного датчика деформация

В этом году исследования лаборатории получили поддержку губернатора Московской области. В дальнейших планах команды выпустить действующий образец датчика деформации на рынок. Также в последнее время группа получила много новых результатов, которые способствуют усовершенствованию технологии. Лаборатория структурных исследований ИФТТ РАН будет продолжать исследования в этом направлении. Данные результаты также могут стать основой для построения коммерческих устройств и расширят знания о взаимосвязи между структурой и свойствами аморфных ферромагнетиков [4].

Примечания 

1. Аморфные сплавы — сплавы,которые имеют «аморфную» атомную структуру, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях и не имеют определённой точки плавления. Свойства аморфных сплавов  превосходят свойства обычных металлов, структурой которых является кристаллическая решетка. 
2. Научная группа: к.ф.-м.н. Аксенов Олег Игоревич (научный сотрудник), Фукс Артем Андреевич (аспирант, младший научный сотрудник), Волков Никита Андреевич (инженер 1-й категории), д.ф.-м.н. Аронин Александр Семенович (научный руководитель) – сотрудники Лаборатории структурных исследований ИФТТ РАН.
3. Аморфные провода — тонкие металлические провода из специальных аморфных сплавов диаметром 5 — 150 мкм, отличающиеся высокой прочностью, сверхупругостью, биосовместимостью, коррозионной стойкостью, магнитной и сенсорной чувствительностью.
4. Ферромагнетики — вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры. 

Олег Аксенов, Анна Дацюк

Сотрудники лаборатории твердотельных электрохимических систем ФИЦ ПХФ и МХ РАН в рамках гранта «УМНИК»[1]  создают катодный материал на основе наночастиц  для производства литий-ионных аккумуляторов. 

 Черноголовка, 23.10.2023 – Дом ученых НЦЧ РАН

Современный мир трудно представить без аккумуляторов – они используются в ноутбуках, смартфонах, электротранспорте. Нельзя обойтись без них и в возобновляемой энергетике – поскольку необходимость в электричестве после захода солнца у человека не пропадает, избыток вырабатываемой солнечными панелями энергии аккумулируется днём и расходуется ночью. 

С каждым годом гаджеты становятся всё более мощными, что увеличивает энергопотребление. Например, Tesla Model S 2012 года выпуска могла проехать 200-250 км на одной зарядке, а уже в 2022 году Tesla Model S была способна проехать 600-700 км после полной зарядки батареи. 

Аккумулятор состоит из материала положительного электрода, катода; материала отрицательного электрода, анода; электролита. Самый дорогостоящий компонент в аккумуляторе – катодный порошок. Катоды бывают разные, самые популярные образцы стоят 150-400$ за килограмм, имея теоретическую емкость – от 170 до 270 мАч/г [2]. 

Рисунок 1. Устройство литий-ионного аккумулятора 

На сегодняшний день основная проблема отрасли литий-ионных аккумуляторов в России — недостаточное развитие производства материалов и аккумуляторов, что приводит к необходимости импорта компонентов из других стран. 

Рисунок 2. Процесс создания макета ЛИА

Рисунок 3. V2O5 до модификации структуры; Рисунок 4  V2O5 со структурой нано-нитей

Примечания:

1. Программа «УМНИК» — это грант на 12 месяцев на развитие инновационного проекта от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере– государственная некоммерческая организация в форме федерального государственного бюджетного учреждения. https://umnik.fasie.ru/
2. Теоретическая емкость – максимальное количество энергии, которую может вместить в себя 1 грамм материала. 
3. Кулоновская эффективность – это то, насколько обратимо происходит процесс заряда и последующего разряда, она выражается в процентах. То есть, при стабильности в 99%, мы снижаем ёмкость аккумулятора на 1% каждый цикл заряда-разряда, как следствие, аккумулятор вашего телефона будет работать в два раза меньше после того, как вы зарядите его 50 раз – это, примерно, 2 месяца. Кулоновская эффективность зависит как от самого материала, так и от условий заряда и разряда – температуры, тока.
4. Связующее – полимеры, которые используются в роли клея в изготовлении электродов

Дацюк Анна, Валерий Колмаков

Учеными ИСМАН был открыт эффективный метод получения ультравысокотемпературных керамик с высокими физико-механическими характеристиками. В процессе исследований удалось получить улучшенный керамический материал TixZr1-xC.

 Черноголовка, 21.10.2023 – Дом ученых НЦЧ РАН

Ультратугоплавкие керамические материалы обладают рекордно высокими температурами плавления, твердостью, химической стойкостью и представляют значительный интерес для использования в современных отраслях промышленности: аэрокосмической, ядерной, металлообрабатывающей. Разработка эффективных методов получения таких материалов с высокими физико-механическими характеристиками — важная задача современного  научного мира.

В Лаборатории энергетического стимулирования физико-химических процессов (ИСМАН), которой руководит доктор физико-математических наук Владимир Андреевич Щербаков, изучают ультравысокотемпературные керамики. Такие керамики создаются на основе карбидов [1] переходных металлов, а также самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [2] и электротеплового взрыва [3]. Результаты работы были опубликованы в октябре 2023 г. в высокорейтинговом журнале «Materialia» [4].

Рисунок 1. Фото полученного ультратугоплавкого материала и режущие пластины, изготовленные из него (ИСМАН)

Рисунок 2. Процесс получения материала TixZr1-xC

Примечания:

1. Карбиды — химические соединения углерода с другими элементами, чаще всего металлами. Карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления, используются в различных областях, от производства абразивных материалов до создания композитных материалов.
2. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез — процесс перемещения волны химической реакции по смеси реагентов с образованием твердых конечных продуктов, проводимый с целью синтеза веществ материалов. СВС представляет собой режим протекания сильной экзотермической реакции, в котором тепловыделение локализовано в слое и передается от слоя к слою путем теплопередачи. 
3. Электротепловой взрыв — экспериментальный метод, позволяющий исследовать механизм и кинетику высокотемпературных быстропротекающих экзотермических реакций, при температурах до 4000 К с характерными временами превращения менее 1 м/сек. 
4. Materialia: V.A. Shcherbakov, I.E. Semenchuk, A.N. Gryadunov, G.R. Nigmatullina, A.E. Sytschev, M.I. Alymov, A.G. Padalko. Вarothermic treatment of TixZr1-xC mixed carbides produced by MA-SHS consolidation. 2023. Vol. 32. № 101924. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2023.101924

 Анна Дацюк,  Владимир Щербаков, Илья Семенчук

В Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова Российской академии наук нашли новый метод переработки отходов титана в порошок  с помощью СВС

 Черноголовка, 30.09.2023 – Дом ученых НЦЧ РАН

В Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова ученые нашли новый метод переработки отходов титана в порошок, с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [1].

Титан [2] и титановые сплавы являются одними из наиболее перспективных материалов, которые сегодня активно применяются в аэрокосмической, энергетической и медицинской областях. Часто в процессе изготовления изделий из титана образуется значительное количество отходов, но из-за отсутствия какой-либо эффективной технологии по переработке, эта стружка просто складируется или идет на переплавку.

Ученые ИСМАН нашли способ оптимизировать этот процесс  — они научились перерабатывать титановую стружку в порошок, который в дальнейшем можно использовать для изготовления разных титановых компонентов и изделий. В основе этой технологии лежит  сжигание в режиме СВС — самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Этапы технологии таковы:

1. Отходы титана (стружку) очищают от загрязнений.
2. Стружку размещают в специальном реакторе высокого давления, который представляет собой полый толстостенный стальной цилиндр.
3. Реактор закрывают и подают водород [3] под необходимым давлением.
4. Полученную смесь поджигают, после чего запускается процесс СВС, где водород выделяет тепло при взаимодействие с титаном.
5. Это тепло распространяется на соседний слой титана, запуская аналогичную реакцию. Так повторяется от слоя к слою, по всему объему стружки.
6. После насыщения водородом (в ходе СВС) титановая стружка изменяет свои свойства и становится очень хрупкой.
7. Хрупкую стружку титана с легкостью измельчают в порошок, размером частиц менее 0,1 мм.
8. Далее водород из измельченного порошка можно легко удалить, поместив порошок в печь и нагревая его при определенной температуре в вакууме.
9. Получается готовый к использованию порошок титана.

Особенностью данного метода является его низкая себестоимость и высокая энергоэффективность, так как для прохождения данной реакции необходимо затратить небольшое количество энергии на поджиг, а далее горение проходит без внешних энергозатрат, просто за счет собственного тепла. Важным  фактором является  и то, что  эта технология никак не вредит окружающей среде и позволяет сберечь природные ресурсы.

Примечания:

1. СВС – самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Это протекание реакции горения, в котором тепловыделение локализовано в слое и передается от слоя к слою путем теплопередачи.
2. Титан (Ti) — металл, известный своей прочностью и легкостью по весу. Одним из основных свойств титана является его высокая коррозионная стойкость. Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей.
3. Водород (H) — самый распространённый химический элемент во Вселенной. На Земле встречается в основном в виде соединений. Водород взаимодействует с простыми и сложными веществами и способен проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

Рисунок 1 Стружка титана, СВС, Порошок титана (ИСМАН)

Евгений Петров, Анна Дацюк

Слоистая структура металлокерамических материалов на основе боридов титана, созданных методом свободного СВС-сжатия, обеспечивает повышенную трещиностойкость и усталостную прочность.

Черноголовка, 21.09.2023 – Дом ученых НЦЧ РАН

Разработка прочных слоистых композиционных материалов на основе боридов титана, созданных методом свободного СВС-сжатия, ведется в Лаборатории пластического деформирования материалов ИСМАН под руководством профессора Александра Моисеевича Столина [1].

Метод свободного СВС-сжатия [2] позволяет всего за несколько десятков секунд получать новые материалы и готовые изделия из исходных порошковых материалов. Что касается боридов титана [3], то эти вещества сегодня вызывают серьезный интерес среди ученых и практиков, благодаря исключительно высокой твёрдости, низкой плотности, высокой температуре плавления, высокой теплопроводности и электрической проводимости. Композитные материалы на их основе обладают особой прочностью и упругостью. При этом на свойства материала влияют как методы изготовления, доля и структура боридов, так и дизайн композитов.
На данный момент одним из перспективных направлений является разработка структуры композиционного материала из чередующихся слоев. Особое значение имеют границы раздела между слоями, которые способствуют разветвлению трещин и их перезарождению в каждом новом слое. Важной задачей является установление влияния пропорций толщин слоев и их упругих свойств на перераспределение напряжений и, как следствие, на предельные нагрузки, которые может выдержать образец.

Рисунок 1 Фото образцов металлокерамических материалов на основе боридов титана (ИСМАН)

Учеными ИСМАН разработана математическая модель, позволяющая определять порядок разрушения слоев и условия достижения максимума предельной нагрузки при трехточечном нагружении. Результаты работы опубликованы в июле 2023 г. в известном научном журнале Metals [4]. 

Разрабатываемые новые металлокерамические композитные материалы могут применяться в машиностроении, авиакосмической отрасли и в смежных областях.

Примечания:

1. ФГБУН Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова Российской академии наук (ИСМАН) создан в 1987 году. Первым Директором-организатором Института был академик А.Г Мержанов, который известен во всем мире как автор открытия: «Явление волновой локализации автотормозящихся твердофазных реакций». Оно стало основой процессов СВС — самораспространяющегося высокотемпературного синтеза большого числа неорганических соединений и новых материалов.

2. Метод свободного СВС-сжатия является энергоэффективным методом, используемым для получения композиционных керамических и металлокерамических материалов. Он основан на сочетании процесса СВС и последующего сжатия продуктов горения, что позволяет быстро формировать новые материалы и изделия. Этот процесс происходит в едином цикле и обычно занимает всего десятки секунд.

3. Бориды титана — химические соединения металла титанаи бора с формулой TiB и TiB₂. Материалы на основе боридов титана обладают высокой твердостью, малой плотностью, способны поглощать нейтроны. Они хорошо проводят ток и имеют высокие температуры плавления до 3230°C. Бориды титана применяются в производстве твёрдых сплавов, износостойких покрышек и сопел и др. Они также используются в машиностроении для защиты деталей от абразивного износа и в атомной энергетике для создания нейтронопоглощающих экранов.

4. Metals: Khvostunkov, P. Bazhin, Q-Q. Ni, A. Bazhina, A. Chizhikov and A. Konstantinov. Influence of Layer-Thickness Proportions and Their Strength and Elastic Properties on Stress Redistribution during Three-Point Bending of TiB/Ti-Based Two-Layer Ceramics Composites / Metals. 2023. Vol. 13(8), № 1480. https://doi.org/10.3390/met13081480 
    

Павел Бажин, Анна Дацюк 

Здесь вы можете прочитать Актуальные новости о научно-исследовательской работе институтов НЦЧ РАН