В лабораториях Уральского федерального университета разработана технология синтеза прозрачной нанокерамики. Материал механически прочный, стойкий к воздействию радиации, не теряющий полезных свойств в широком диапазоне температур (от космического холода до ракетных двигателей) — такой нужен в электронной, оптической, оборонной, атомной, аэрокосмической, медицинской сферах. Одна из ближайших целей проекта — создание ярких люминофоров и мощных лазеров на основе нового материала.
Статья о разработке опубликована 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 работы, доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Арсений Киряков. — Мы, наоборот, сохраняем наноразмер у зерна в 20—30 нанометров за счёт высокого давления. При этом зерна настолько компактно прилегают друг к другу, что нет крупных пор. Поэтому готовое изделие получается без трещин, примесных фаз, за счёт 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 энергоёмкость, что обеспечивает большую экологичность и экономичность производства», — добавляет Арсений Киряков.
Особенность созданной на Урале нанокерамики в том, что в матрицу введены оптически активные центры, в том числе люминесцентные. Такую 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 и Китае. Но российским ученым удалось создать нанокерамику на более простом и дешёвом оборудовании. По предварительным оценкам, уральская нанокерамика по характеристикам не уступит зарубежным аналогам.
О производстве такой нанокерамики в промышленных масштабах говорить, разумеется, рано — изготовлены только первые лабораторные образцы.
«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».
