Исследователи НИТУ МИСИС и Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН провели исследование, открывающее перспективы для создания наноструктурированных материалов нового поколения для применений в агрессивных средах, например, аэрокосмической технике или катализаторах для химической утилизации углекислого газа.

Стойкость к окислению является ключевой характеристикой гексагонального нитрида бора. Этот материал выдерживает экстремальные температуры и обладает высокой механической прочностью. Его используют либо в качестве защитного покрытия, либо в качестве компонента устройства, работающего в агрессивных средах, либо как основу для внедрения каталитически активных металлических наночастиц для химической утилизации углекислого газа. В подобных катализаторах при нагреве наночастицы постепенно слипаются, теряют форму и уменьшают рабочую площадь, что приводит к снижению эффективности каталитической системы.

«Гексагональный нитрид бора долгое время рассматривался исключительно как инертный материал подложки, который не участвует в каталитической реакции. Мы задались вопросом: можно ли использовать дефекты его структуры для регулирования поведения наночастиц и повышения эффективности работы катализатора? Выяснилось, что метод контролируемого окисления формирует на поверхности материала углубления, которые фиксируют частицы и не дают им слипаться при повышении температуры», — сказал к.т.н. Антон Конопацкий, старший научный сотрудник НИЦ «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС.

Д.ф.-м.н. Дмитрий Штанский, директор научно-исследовательского центра «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС объясняет: «Дефекты на поверхности меняют характер взаимодействия наночастиц и их форму. Вместо привычных сфер мы наблюдаем вытянутые структуры, которые врастают в дефекты. При этом, решающую роль играет глубина дефекта — если окисление затрагивает два слоя, частица фиксируется значительно прочнее, чем при одном. Так мы можем управлять микрорельефом, а это напрямую влияет на каталитическую эффективность».

Чтобы объяснить такое необычное поведение частиц, коллеги из Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН провели компьютерное моделирование с применением методов машинного-обучения. Использование нейросетевых потенциалов позволило установить, как именно будут двигаться частицы металла при нагреве. Виртуальный эксперимент показал: на гладкой подложке две соседние частицы сливаются в классическую сферу, тогда как в «бороздке» атомы металла образуют прочную, вытянутую структуру, которая надёжно фиксируется краями дефекта.

Работа выполнена при грантовой поддержке Минобрнауки России (ФСМЕ-2023-0004) и Российского научного фонда (грант № 25-73-20094). Подробности — в журнале Journal of Materials Science (Q1).