Направления исследований:
- Кинетика и механизмы генерации активных частиц в неравновесной плазме, контактирующей с жидкой фазой;
- Процессы взаимодействия неравновесной плазмы с полимерными материалами и с жидкими средами (растворами);
- Плазмохимические методы получения наночастиц оксидов металлов и композиционных материалов на их основе с использованием газовых разрядов, контактирующих с жидкой фазой;
- Плазмохимические методы модифицирования поверхности полимерных материалов;
- Процессы переноса компонентов растворов в плазму и их влияние на физические параметры плазмы и кинетику плазмохимических реакций.
Группа выполняет исследования, нацеленные на установление закономерностей синтеза наночастиц металлов и оксидов металлов при использовании различных генераторов плазмы, контактирующей с жидкостями, а также на получение новых композиционных материалов и продуктов, обладающих высокой сорбционной способностью, каталитической и бактерицидной активностью.
Антибактериальные свойства пленок полимолочной кислоты с наночастицами серебра по отношению к E. coli, B. subt., S. aureus и C. albic: 1 – без наночастиц, 2 – 1.3% серебра, 3 – 4.2% серебра, 4 – 8.2% серебра.
Используется плазма, генерируемая газовыми разрядами постоянного тока при различной полярности металлических и жидких электродов, разрядами на постоянном и переменном токе между расположенными в жидкости металлическими электродами.
Плазма, в контакте с жидкостью является сильно неравновесной системой с уникальными свойствами и чрезвычайно высокой химической активностью. При средней энергии электронов, отвечающей температуре Tе ~ 10000 – 20000 К, и высокой колебательной и вращательной температурах молекул в плазме (Tr ~ 1500 и Tv ~ 5000 К), контактирующая с плазмой жидкость имеет достаточно низкую температуру (не выше температуры кипения). В результате в плазме реализуются сверхравновесные концентрации активных частиц и высокие скорости протекания химических реакций. Быстрая эрозия электродов под действием ионов, ускоренных в приэлектродных областях падений потенциала, служит источником атомов металлов в газовой фазе, которые вступают в реакции с активными частицами плазмы, а попадание продуктов реакций в жидкость сопровождается их быстрой закалкой. Это открывает возможности получения нестехиометрических оксидов и легированных оксидных систем.
Разряд постоянного тока с жидким катодом (а) и с жидким анодом (б)
УФ излучение плазмы, ионная бомбардировка поверхности жидкости и рекомбинационные процессы на ее границе с плазмой ведут к образованию химически активных частиц в тонком поверхностном слое жидкости, и к протеканию в ней окислительно-восстановительных реакций. Изменение состава жидкости и ее рН дает дополнительные возможности для регулирования структуры и свойств продуктов плазмохимических реакций.
Частицы порошков нестехиометрического оксида молибдена, полученные с использованием тлеющего разряда в воздухе (а) и импульсного подводного разряда (b)
Методы исследований
- Измерения электрофизических параметров плазмы;
- Эмиссионно-спектральная диагностика плазмы;
- Динамическое рассеяние света;
- Сканирующая электронная микроскопия;
- Просвечивающая электронная микроскопия;
- Атомно-силовая микроскопия;
- Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия;
- Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия;
- Электронная спектроскопия поглощения и флуоресцентная спектроскопия;
- ИК спектроскопия многократного нарушенного полного внутреннего отражения;
- Рентгеноструктурный анализ;
- Низкотемпературная адсорбция азота.
Основные результаты
• Плазмохимическими методами получены наночастицы оксидов титана, молибдена и вольфрама. На примере оксидов молибдена показано, что изменение способа возбуждения плазмы и параметров разряда позволяет управлять размером частиц, их структурой и свойствами;
• Исследованы процессы образования наночастиц серебра и их осаждения на полимерные подложки (полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат) при использовании плазмы разряда атмосферного давления с жидким катодом – водным раствором нитрата серебра. Показана бактерицидная активность полученных материалов;
• Изучена кинетика и установлены закономерности генерации гидроксил-радикалов, пероксида водорода, сольватированных электронов в воде и водных растворах электролитов под действием разрядов различных типов (разряд постоянного тока с жидким катодом, подводный диафрагменный разряд, контактный разряд в объеме жидкости). Для детектирования радикалов использован метод акцепторов. Найдены энергетические выходы активных частиц при газоразрядной обработке жидкой фазы;
• С использованием экспериментальных методик (электрофизические измерения, спектроскопия излучения плазмы) изучены физические свойства разрядов атмосферного давления с жидкими электролитными катодами – растворами солей металлов. Показано, что на физические характеристики плазмы влияют процессы переноса компонентов растворенных веществ из жидкого катода в плазму. На основе экспериментальных данных выполнено численное моделирование процессов образования и дальнейших превращений активных частиц в плазме разрядов с электролитными катодами из растворов хлоридов натрия, кальция и меди. Установлены возможные процессы, которые определяют влияние продуктов переноса компонентов растворов в плазму на свойства разряда и кинетику протекающих в плазме процессов. Определены концентрации и основные каналы образования и гибели ряда активных частиц в плазме: гидроксил радикалов, пероксида водорода, атомарного кислорода, оксидов азота и других;
• С использованием плазмы успешно реализованы процессы деструкции и модификации хитозана в растворах, осуществлена его иммобилизация на поверхности инертного полимерного носителя; (полипропилена). Плазмохимическим методом получен композиционный материал (хитозан с внедренными в него наночастицами серебра), который обладает бактерицидными свойствами;
• Впервые показано, что плазмохимическая обработка водных суспензий целлюлозы существенно увеличивает выход нанокристаллической целлюлозы при последующем кислотном гидролизе.
