Ученые впервые создали тонкие пленки из шунгитового углерода. Сейчас шунгит применяют в основном в металлургии, строительстве и для очистки воды. Новая разработка позволяет использовать его в высокотехнологичном производстве, например, для создания газовых сенсоров, а также в оптических приборах.

Шунгитовые породы – большая группа докембрийских углеродосодержащих образований возрастом около 2 миллиардов лет, различающихся по условиям образования и составу. Месторождения шунгита находятся в Карелии, в основном на территории Заонежья. Шунгит используется в металлургии, строительстве, для фильтрации воды и в декоративном искусстве. В высокотехнологичных процессах его еще не применяли.

– Основное препятствие использования связано с непостоянством минерального и химического состава шунгитовых пород. Даже в пределах одного месторождения для одной разновидности можно получить разные свойства. Чтобы уйти от этого непостоянства и получить воспроизводимый материал, мы предположили, что можно унифицировать сырье, если перейти на наноуровень. Мы сделали это и избавились от основных примесей. Результатом работы стали пленки толщиной 3 микрона с контролируемой структурой и, главное, с воспроизводящимися, стабильными, свойствами, – рассказала Анна Ковальчук, научный сотрудник лаборатории физико-химических исследований наноматериалов Института геологии КарНЦ РАН.

Результаты работы коллектива ученых из Карелии и Санкт-Петербурга опубликованы в международном журнале CurrentNanoscience.

Получению пленок предшествовала еще одна разработка, созданная и запатентованная Институтом геологии КарНЦ РАН – водные дисперсии шунгитового углерода. Это взвесь шунгитовых углеродных наночастиц в воде. При оценке дисперсий было установлено, что по своей структуре наночастицы являются графеноподобными. Графен же сегодня – самая теоретически изученная модификация углерода, и доказанное сходство позволяет применять к шунгитовым наноматериалам имеющуюся в этой области теоретическую базу.

В частности, известно, что графеновые пленки восприимчивы к различным газам. В своей работе Анна Ковальчук подтвердила, что пленки шугитового углерода способны сорбировать и десорбировать кислород, при этом меняется сопротивление пленок. Благодаря этому свойству они могут использоваться в газовых сенсорах. Проблема в том, что существующие сегодня способы получения пленок на основе графена требуют специальных, технологически сложных условий и использования дополнительных материалов. В результате пока в лабораторных условиях получаются лишь малые образцы, неприменимые в промышленности.

Перед учеными стояла задача упростить технологический процесс и создать экономичный способ получения качественной углеродной пленки. Для этого исследователи выбрали природный шунгитовый углерод как источник графеновых фрагментов.

При одном из способов пленки конденсировались из растворов на стеклянных подложках. При втором удалось исключить этап с дисперсиями: пленки получили непосредственно из порошка шунгитового углерода путем термического осаждения в малой вакуумной термокамере при температуре ниже 750 °С.

– С точки зрения технологии это метод простой и экономичный. Исходного порошка нужно немного, не требуются специальные газы или высокий вакуум, то есть получение происходит в мягких условиях, – пояснила Анна Ковальчук.

Помимо структуры, ученые проверили и электрофизические свойства полученных материалов, в частности, электропроводность при высоких частотах. На примере кислорода они проследили, что происходит с пленкой при поглощении и выведении газа. Стабильность выявленных свойств, доступность и экономичность метода делает его применение перспективным для промышленности. Кроме того, углеродные пленки, обладая высокой прозрачностью, могут использоваться в производстве оптических приборов.

11 февраля на портале Минобрнауки России вышла публикация, посвященная Международному дню женщин и девочек в науке. Одной из героинь материала стала Анна Ковальчук. Читайте текст по ссылке.

Источник: Карельский научный центр Российской академии наук.