Кавитационный синтез углеродных наноструктур Воропаев С.А.(1), Днестровский А.Ю. (1), Скоробогатский В.Н. (2), Бондарев О.Л. (2), Кривцов А.М. (3), Кузькин. - презентация

1 Кавитационный синтез углеродных наноструктур Воропаев С.А.(1), Днестровский А.Ю. (1), Скоробогатский В.Н. (2), Бондарев О.Л. (2), Кривцов А.М. (3), Кузькин В.А. (3) (1) ГЕОХИ РАН; (2) МГТУ им. Н.Э.Баумана; (3) ИПМ РАН Работа поддержана грантом РФФИ OFI_M Контакт: Для подтверждения гипотезы в ГЕОХИ РАН совместно с МГТУ им. Н.Э. Баумана, группа проф. Скоробогатского В.Н., была создана лабораторная установка. В качестве рабочей среды был выбран бензол (С 6 Н 6 ), маловязкая жидкость с высоким давлением насыщенных паров при нормальных условиях. Также, при термической диссоциации бензол образует смесь газов с высоким процентным содержанием углерода по отношению к водороду. Исходная идея Данная гипотеза предполагает ряд процессов, до сих пор детально не рассматривавшихся. Это касается протекания кавитации в расплавах при высоком давлении, роста, стабильности и неустойчивости газовых и паровых пузырей, проходящих внутри них сложных физико- химических процессов. В настоящее время кавитация вызывает дополнительный интерес как инструмент воздействия на углеродные нанотрубки. Ударные волны и струйки, возникающие в результате схлопывания кавитационных пузырьков, могут эффективно деформировать наноструктуры, позволяя тем самым исследовать их физические и механические свойства [3]. Таким образом, гидродинамическая кавитация является уникальным процессом, сильно отличающимся от акустической кавитации (вызываемой звуковой волной небольшой амплитуды в жидкости) по возможностям создания и контроля ряда наноструктур. Экспериментальная установка В основе исследований лежит идея академика Галимова Э.М. [1] о возможности синтеза алмаза как следствие кавитации в потоке флюида магмы при подъеме в кимберлитовой трубке. Изменения профиля канала могли вызывать значительные скачки гидродинамического давления в потоке. При падении давления в узком сечении трубки возникают пузыри растворенного газа (метан), которые коллапсируют при увеличении давления в расширяющемся канале. Как показывают расчеты и эксперименты, возникающие при коллапсе давление и температура внутри пузыря достаточны для синтеза алмаза [2]. Схема экспериментальной установки приведена ниже на рисунке. Установка содержит полости (1) и (4), где осуществляется подрыв пороховых зарядов для движения поршней q1 и q2. Полости (2) и (3), соединенные трубкой с профилем Вентури, предназначены для движения бензола. Профиль такого типа используется для создания низкого давления, разрыва и вскипания жидкости. Экспериментальная установка работает следующим образом: под давлением пороховых газов в полости 1 поршень q1 начинает движение и толкает бензол из полости 2 в полость 3 через трубку Вентури. В этот момент происходит рождение паровых пузырей в узком сечении трубки (первая стадия кавитации). Пузыри увеличиваются в размере и выносятся потоком в полость 3. Поршень q3 достигает крайне правого положения и накалывает капсюль, который инициирует подрыв порохового заряда в полости 4. Под давлением пороховых газов в полости 4 поршень q2 получает значительный импульс в обратном направлении, что генерирует ударную волну в полости 3, приводящую к адиабатическому коллапсу кавитационных пузырей и синтезу в них алмаза. Измерения и результаты Измерения давления были проведены с помощью ряда датчиков, расположенных в полостях и трубке Вентури. Величина исходного давления была в интервале от 140 MPa до 170 MPa, давление в полости 3 (до подрыва заряда в полости 4) было от MPa до MPa, причем скорость движения поршня составляла 2 м/с. В ряде экспериментов был установлен датчик температуры вместо датчика давления в полости 3. Его показания свидетельствовали о незначительном увеличении температуры, что позволило считать процесс изотермическим. Atm После отработки рабочих режимов установки, была воспроизведена вторая фаза кавитации: сферически-симметричное адиабатическое сжатие пузырей в полости 3 при подходящем внешнем давлении. Были надежно зафиксированы зерна алмазной фазы размером от 10 до 30 нанометров и агрегаты наноалмазов размеров до 10 мкм. Зерна исследовались с помощью поляризационного микроскопа Leica, Фурье ИК спектрометра PU 9804 Phillips и Рамановского спектрографаT Также, использовался сканирующий электронный микроскоп JEOL 6700 с разрешением 100 нанометров. Библиография 1. Galimov E.M. Nature,1973, vol. 243, p Галимов Э.М., Кудин А.М., Скоробогатский В.Н. и др. ДАН, 2004, т. 395, 2, стр P.A. Quinto-Su, etc. Physical Review Letters, 2010, vol.104, p Выводы Разработана экспериментальная установка для гидродинамической кавитации бензола. Получены агрегаты алмазной фазы размером от 1 до 10 μm и отдельные наноалмазы. Для исследования образцов использовалась рентгеновская дифрактометрия и рамановская спектроскопия. Полученные результаты подтверждают гипотезу о создании достаточных термодинамических условий в кавитационном пузырьке для синтеза алмаза.