Химическая технология и создание высококремнеземных нанопористых магнитных матриц на основе двухфазных железосодержащих натриевоборосиликатных стекол
Разработан способ получения высококремнеземных пористых матриц в форме массивных изделий (пластины, диски толщиной 0.5 – 2 мм) с регулируемыми структурными характеристиками, объемом пор 0.2÷0.6 см3/см3 и средним диаметром пор в диапазоне 5÷60 нм.
Матрицы проявляют магнитные свойства благодаря присутствию в каркасе стекла микрокристаллической фазы магнетита Fe3O4 с размерами кристаллитов 5-20 нм:
- величина спонтанного намагничивания составляет примерно 1.5×104 эм.ед./мольFe;
- коэрцитивное поле изменяется от 8×104 А/м при 5 К до 1.1×104 А/м при 340 К;
- коэрцитивная сила составляет 60 ÷ 100 мТ.
При этом матрицы обладают низкой электрической проводимостью (примерно на 15 порядков величины меньше, чем электропроводность кристаллического магнетита), что обеспечивает возможность измерения диэлектрических свойств и спонтанной поляризации композитов (например, гетерогенных мультиферроиков нового поколения), синтезированных на основе этих матриц.
Благодаря содержанию большому содержанию SiO2 (≥ 90 мас. %) матрицы термо-, химически- и биологически стабильны.
Область применения
Микроэлектроника – использование в качестве матриц для полифункциональных композиционных материалов, пригодных для создания новых наноразмерных интегрированных конденсаторов высокой емкости и/или микроскопических источников питания.
Благодаря присутствию наноразмерной кристаллической фазы магнетита такие матрицы перспективны для использования в технологиях, использующих магнитные свойства материала:
мембранные технологии (сепарация, препаративная и аналитическая жидкостная хроматография высокого давления белков),
медицина (диагностика, биохимический анализ, выделение, очистка и концентрирование лекарственных преператов в процессах получения лекарственных средств, извлечение целевых компонентов (ферментов, витаминов и пр.) при приложении магнитного поля).
Степень готовности технологии
Разработана методика, составлен план технологической карты, получены опытные образцы.
Разработка защищена действующим патентом РФ на изобретение RU 2540754. Способ получения высококремнеземного пористого стекла с магнитными свойствами / Антропова Т.В., Анфимова И.Н., Дроздова И.А., Костырева Т.Г., Полякова И.Г., Пшенко О.А., Столяр С.В.; заявитель и патентообладатель — ИХС РАН; заявл. 05.12.2013; опубл. 10.02.15, Бюл. № 4.
Наличие подобных технологий в РФ
Сведений о наличии подобных технологий в РФ в открытых источниках не обнаружено.
Химическая технология и создание новых композитных гетерогенных мультиферроиков на основе магнитных матриц из железосодержащих нанопористых стекол
Разработана технология создания новых наноструктурированных магнитоэлектрических материалов для микроэлектроники – гетерогенных композитных мультиферроиков нового поколения.
Нанокомпозиты, полученные путем внедрения сегнетоэлектрика в пористое стекло, содержат одновременно магнитную (Fe3O4) и сегнетоэлектрическую (например, γ-KNO3 и др.) микрокристаллические фазы, благодаря чему обладают двумя типами упорядочения (электрическим и магнитным), о чем свидетельствует рост диэлектрической проницаемости при увеличении температуры и наличие магнитного гистерезиса на зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля.
Базовыми матрицами для получения новых гетерогенных мультиферроиков являются силикатные пористые стекла в форме пластин/дисков толщиной 0.5 – 2 мм с объемом пор 0.2÷0.6 см3/см3 и средним диаметром пор D = 5÷60 нм, магнитные свойства которых (коэрцитивная сила 60 ÷ 100 мТ) обусловлены присутствием в стекле кристаллитов магнетита Fe3O4 размером 5 ÷ 20 нм (разработка ИХС РАН, патент RU 2540754).
Степень готовности технологии
Разработана методика, составлен план технологической карты, получены опытные образцы.
Разработка защищена действующим патентом РФ на изобретение RU 2594183. Способ получения композиционного мультиферроика на основе ферромагнитного пористого стекла / Антропова Т.В., Пшенко О.А., Анфимова И.Н., Дроздова И.А.; Заявитель и патентообладатель – ИХС РАН; заявл. 10.04.2015; опубл. 10.08.2016, Бюл. № 22.
Область применения
Нано-, микроэлектроника, спинтроника (квантовая электроника) — для создания новых наноразмерных интегрированных конденсаторов высокой емкости и/или микроскопических источников питания (аккумуляторов энергии), интегрируемых с ячейками MEMS; создание элементов долговременной памяти и/или долговременных носителей информации с высокой стабильностью и надежностью работы (типа FeRAM, FLESH-памяти) и др.
Материалы с мультиферроидными (магнитоэлектрическими) свойствами востребованы при производстве такой аппаратуры, как:
- Аэрокосмические и военные системы
- Цифровые фотоаппараты
- Ноутбуки
- Смарт-карты
- Мобильные телефоны
- Сотовые базовые станции
- Персональные компьютеры
- Для замены SRAM с питанием от аккумуляторной батареи
- Специальные устройства для регистрации данных (чёрные ящики)
Наличие подобных технологий в РФ
Сведений о наличии подобных технологий в РФ в открытых источниках не обнаружено.
Химическая технология и создание новых люминесцентных кварцоидных композиционных материалов на основе матриц из силикатных нанопористых стекол, легированных висмутом
Разработана технология, позволяющая контролировать формирование и распределение висмутовых активных центров (ВАЦ) с определенной степенью окисления в матрицах из пористых стекол со сквозными порами наноразмерного диапазона, избегая эффектов кластеризации и концентрационного тушения.
Синтезированные висмут-содержащие кварцоидные композиционные материалы содержат различные ВАЦ, представляющие собой формы висмута с разной степенью окисления (Bi3+, Bi2+, Bi+, Bi53+), вследствие чего материалы обладают различной люминесценцией в широком спектральном диапазоне от ближней УФ до коротковолновой ИК области. Висмут входит в структурные единицы [BiO3] и [BiO6] и микрокристаллы α — Bi2O3. В зависимости от типа пористого стекла синтезированный материал по теплофизическим свойствам (вязкость, КТЛР) может быть близок к кварцевому стеклу либо обладать пониженной вязкостью.
Область применения
Фотоника — использование полученных материалов для заготовок (преформ) световодов с лазерной генерацией в широком спектральном диапазоне и различных устройств на их основе, предназначенных для оптимизации элементов волоконно-оптических линий связи (волоконная оптика), светодиодного освещения, фотоактивных слоев солнечных батарей, индикаторной техники и сенсорики.
Степень готовности технологии
Разработана методика, составлен план технологической карты, получены опытные образцы.
Разработка защищена действующим патентом РФ на изобретение RU 2605711. Способ изготовления люминесцентного висмут-содержащего кварцоидного материала на основе высококремнеземного пористого стекла / Антропова Т.В., Гирсова М.А., Анфимова И.Н., Головина Г.Ф., Куриленко Л.Н., Фирстов С.В.; Заявитель и патентообладатель – ИХС РАН; заявл. 12.05.15; опубл. 27.12.2016, Бюл. 36.
Наличие подобных технологий в РФ
Существует ряд публикаций, посвященных созданию висмут-содержащих материалов, излучающих только в ИК области.
Других сведений о наличии подобных технологий в РФ в открытых источниках не обнаружено.
Керамика на основе диоксида циркония медицинского назначения
(для стоматологии и эндопротезирования)
Керамика на основе t-ZrO2 полностью совместима с организмом человека, не вызывает аллергии и негативных реакций со стороны иммунной системы, что позволяет увеличить срок службы конструкции без замены и дополнительных хирургических вмешательств.
В ИХС РАН разработана высокопрочная керамика на основе тетрагональной модификации диоксида циркония (t-ZrО2) для реставрационной стоматологии и эндопротезирования, обладающая химической стабильностью, высокой трещиностойкостью и твердостью, низкой теплопроводностью, высокой светопроницаемостью, и технология ее получения.
Технология основана на методе соосаждения гидроксидов из растворов азотнокислых солей и состоит из 4 стадий, не требующих дорогостоящего и энергоемкого оборудования. Ионы NO3- не влияют на кристаллическую структуру конечного продукта. Не требуются дополнительные стадии измельчения (благодаря заморозке при незначительной отрицательной температуре), промывки и очистки.
Разработанная технология позволяет получать монофазные монодисперсные порошки твердого раствора t-ZrO2 со средним размером частиц 8 нм.
Основные параметры получаемой высокоплотной керамики для стоматологии в сравнении с импортными аналогами
| Марка, производитель | Модуль упругости, ГПа | Прочие характеристики |
| VITA Enamic («VITA Zahnfabrik», Германия) | 40,86 | |
| Mark II («VITA Zahnfabrik», Германия) | 72,82 | |
| Керамика ИХС РАН | 212 | открытая пористость 6 %
средний размер частиц 70 нм |
Основные параметры получаемой высокопористой керамики для эндопротезирования в сравнении с импортными аналогами и костной тканью
| Материал | Пористость,% | Модуль упругости, ГПа |
| Компактное вещество кости | 13 – 18 | 70 – 180 |
| Губчатое вещество кости | ≤90 | 10 – 60 |
| Аналоги | 60 — 85 | ≤80 |
| Керамика ИХС РАН | 48
(при закрытой пористости 0.1) |
94 |
Область применения
Медицина – ортопедическая стоматология, заместительная хирургия.
Степень готовности
Разработана технология, получены опытные составы порошков, высокоплотная и высокопористая керамика из них. Проведены предварительные исследования биосовместимости керамических материалов.
Разработка защищена патентами РФ: Шилова О.А., Калинина М.В., Морозова Л.В., Ковалько Н.Ю. Способ получения керамики на основе диоксида циркония для реставрационной стоматологии. // Патент № 2536593. МПК С04В 35/486. Зарег. 27.12.2014 г.; Федоренко Н.Ю., Калинина М.В., Шилова О.А., Пономарева М.А. Способ получения биосовместимой пористой керамики на основе диоксида циркония для эндопротезирования. // Патент № 2741918. МПК C04B 35/488. Зарег. 29.01.2021.
Наличие подобных технологий в РФ
Не обнаружено.
Оценка наличия отечественной базы материалов/сырья или перспектив их импортозамещения
В качестве исходных реагентов используются азотнокислые соли отечественного производства.
В случае внедрения технологии на производство исходное сырье может являться одним из продуктов на другой технологической ветке, функционирующей на предприятии.
Возможности/проблемы масштабирования технологии
Требуется проведение опытно-конструкторских и технологических работ совместно с потенциальным заводом-изготовителем.
Для применения керамики на основе диоксида циркония в качестве материала для медицинского применения она должна пройти официальные клинические испытания в соответствии с требованиями к медицинским изделиям, контактирующим с организмом человека в течение длительного времени.
Одним из путей решения проблем масштабирования данной технологии является использование микрореакторов со встречными закручивающимися потоками. Использование данных реакторов позволит увеличить скорость синтеза порошков, сохранив высокие значения площади удельной поверхности получаемых порошков.
МЕТОДИКО-ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ И ФАЗОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА
Разработаны программные комплексы RietveldToThensor (RTT) и ThetaToThensor (TTT), которые могут рассчитывать количественный фазовый состав образцов, содержащих порядка 10 фаз, количество аморфной фазы, области когерентного рассеяния (размер кристаллитов), коэффициенты термического расширения, композиционных (химических) и барических деформаций, координаты атомов и параметры атомных смещений.
Исследование отклика вещества на изменение температуры позволяет решать ряд проблем, связанных с подбором покрытий, соединения деталей приборов, прогнозирования и дизайна новых материалов, рассчитывать параметры и ориентировку тензора термических деформаций вещества.
Важной практической задачей является поиск материалов с практически нулевым термическим расширением, которые применяются в различных оптических инструментах, в конструкциях космических аппаратов, современных технологиях и т. п., т. е. повсеместно, если температура изменяется даже в незначительном интервале. В последние годы одним из новых приложений для материалов с нулевым и отрицательным термическим расширением является разработка на их основе фотолюминофоров без термического тушения, т. е. с нулевым термическим тушением.
Степень готовности методик составляет 100%. Программы зарегистрированы в Роспатенте:
- Свидетельство о гос. регистрации первой версии программы ThetaToThensor № 2011615363 от 23 мая 2011. Фирсова В.А., Бубнова Р.С., Филатов С.К.
- Свидетельство о гос. регистрации второй версии программы ThetaToThensor № 2013611071 от 9 января 2013. Фирсова В.А., Бубнова Р.С., Филатов С.К.
- Свидетельство о гос. регистрации первой версии программы RietveldToThensor № 2015661205 от 21 октября 2015. Фирсова В.А., Волков С.Н., Бубнова Р.С., Филатов С.К.
- Свидетельство о гос. регистрации второй версии программы RietveldToThensor № 2018663287 от 24 октября 2018. Фирсова В.А., Волков С.Н., Бубнова Р.С., Филатов С.К.
Для создания и заполнения базы данных по термическому расширению была разработана и сертифицирована программа «Работа с базой данных тензора расширения – TENSORBASE». Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2020612656, от 28.02.2020. Работа с базой данных тензора расширения – TENSORBASE. Фирсова В.А., Бубнова Р.С., Филатов С.К.
Разработаны методики и алгоритмы расчета микронапряжений, макронапряжений, модуля Юнга, коэффициента Пуассона по порошковым рентгендифракционным данным.
Степень готовности методик составляет около 80%.
Области применения
Подобный комплекс может быть применен для оценки фазового состава цементов, клинкеров, известняков и прочих строительных материалов. Оценки микро и макронапряжений в сплавах, определении тонких параметров пленок и др.
Для использования этого программного обеспечения необходимы данные, собранные на порошковом/монокристальном дифрактометре с низко-, высокотемпературной приставкой.
Наличие подобных технологий в РФ – частично имеются
Проблемы масштабирования — отсутствуют
Микрореакторная технология получения наноразмерных функциональных материалов
Совместно с СПбГТИ(ТУ)
Разработаны аппаратные способы применения микротехники в химической и биохимической практике — для тонкого органического синтеза, производства водородсодержащих газов, биотехнологических процессы, фармацевтики, получения наночастиц в микрореакторах, скрининга при создании катализаторов.
Разработаны высокоэффективные микромасштабные химические реакторы непрерывного действия с контролируемыми условиями синтеза наноразмерных частиц (имеется возможность доработки или изменения конфигурации микрореакторов для конкретных синтетических задач).
Реакторный комплекс включает множество микрореакторов, работающих при высокой скорости течения сред, производительность его сопоставима с производительностью традиционного оборудования.
Преимущества микрореакторов:
- достижение высоких коэффициентов теплопередачи, до 20 кВт/(м2К);
- 2) узкое распределение времени пребывания, обусловливающее высокую селективность реакций; при необходимости может быть достигнуто чрезвычайно малое время пребывания при малой емкости аппарата (10-3 с и менее);
- 3) низкое гидравлическое сопротивление, обусловленное малой длиной каналов и ламинарным режимом течения;
- 4) увеличение удельной поверхности (10000-50000 м2/м3 , в обычных реакторах – не более 1000 м2/м3);
- 5) резкое увеличение поперечных градиентов температуры и концентрации (за счет уменьшения поперечных размеров каналов);
- 6) интенсификация массопереноса в гетерогенных средах (циркуляционное перемешивание в тейлоровском режиме);
- 7) резкое уменьшение габаритов аппаратов, снижение металлоемкости;
- 8) снижение рисков при работе с токсичными и взрывоопасными материалами в малых объемах.
В производствах крупнотоннажной химии при использовании микроаппаратов повышаются качество перемешивания, эффективность тепло- и массопереноса, селективность реакций и их выход, сокращается продолжительность процесса. При этом высокая производительность достигается как за счет высоких скоростей течения сред в мини- и микроканалах (до 100 м/с и более), так и за счет большого количества параллельных каналов. При этом, в микроканалах даже при высоких скоростях движения потока жидкости режим течения сохраняется ламинарным, что обусловливает очень низкие потери механической энергии.
Степень готовности разрабоки:
- разработаны теоретические основы гидродинамики и массообмена в двухфазных средах в микрореакторах,
- созданы оригинальные двухфазные микрореакторы и микродиспергаторы, в том числе для синтеза наноразмерных частиц;
- разработаны теоретические основы функционирования микромасштабных реакторов непрерывного действия для растворного синтеза наноразмерных частиц неорганических веществ (оксидов, фторидов, фосфатов и других соединений);
- разработана и запатентована линейка микрореакторов для генерирования микросфер, синтеза органических соединений и неорганических веществ, обладающих возможностью простого масштабирования на промышленный уровень.
Области применения наночастиц (диоксид титана, иттрий-алюминиевый гранат, диоксид циркония, фторид кальция и др.), для получения которых в ЛИПСОМ уже разработаны технологические параметры, – получение катализаторов, фотокатализаторов, ап-конверсионных люминофоров, материалов для зубных протезов.
В Санкт-Петербурге и в Российской Федерации отсутствует производство перечисленных материалов, в основном поставки идут или шли из Китая, стран ЕС и США.
Разработка защищена патентами:
- Р.Ш. Абиев, А.В. Здравков, Ю.С. Кудряшова. Способ получения нанопорошка иттрий-алюминиевого граната. Патент на изобретение 2741733 C1, 28.01.2021. Заявка № 2020126050 от 29.07.2020.
- Абиев Р.Ш., Здравков А.В., Кудряшова Ю.С. Способ получения нанопорошка иттрий-алюминиевого граната в микрореакторе с закрученными потоками. Патент на изобретение 2761324 C1, 07.12.2021. Заявка № 2021106745 от 15.03.2021.
- Р.Ш. Абиев, А.В. Здравков, Ю.С. Кудряшова. Способ получения фотокаталитически активного нанокристаллического диоксида титана в кристаллической модификации анатаз. Патент на изобретение 2724243 C1, 22.06.2020. Заявка № 2020104994 от 03.02.2020.