Международный коллектив ученых под руководством профессора ТГУ Михаила Криштала при участии ведущего научного сотрудника Израильского технологического института "Технион" Александра Кацмана модифицировал современную технологию плазменно-электролитического оксидирования, введя в электролит аморфные наночастицы кремнезема (диоксида кремния). В результате они кратно повысили свойства защитного слоя на алюминиевом сплаве и превратились в твердые частицы сверхплотного минерала - стишовита.
Для ученых это неожиданный результат, поскольку обработка ведется в комнатных условиях обычной окружающей среды, а для получения стишовита нужны сверхвысокие давления, превышающие обычное атмосферное давление в сто тысяч раз, и температура, выше 500 ºС. Поэтому содержащие стишовит породы в природе редко встречаются в метеоритных и вулканических кратерах. Твердость минерала почти как у алмаза делает его перспективным для создания износостойких материалов и покрытий.
Потребовалось почти восемь лет, чтобы устойчиво воспроизвести и экспериментально доказать результат появления сверхплотного минерала в защитном керамическом слое, а также создать теорию, адекватно объясняющую этот и предсказывающую другие эффекты взаимодействия наночастиц с керамическим слоем.
При обработке алюминиево-кремниевого сплава добавка всего трех грамм наночастиц на литр электролита повышает толщину и износостойкость формируемого слоя в полтора раза, термическое сопротивление в четыре раза. Теория подтверждает, что физические свойства частиц, как и их размер, играют решающую роль в сценарии взаимодействия с керамическим слоем.
- В электролит невозможно ввести частицы строго определенного размера. В действительности одновременно добавляются разные по величине частицы в определенном диапазоне размеров. Поэтому одновременно могут реализоваться сразу несколько сценариев их взаимодействия - от упругого отскока обратно в электролит до превращения в фазы высокого давления, такие как стишовит или даже расплавления и химического взаимодействия с металлом основы, - рассказал руководитель проекта, главный научный сотрудник ТГУ Михаил Криштал. - Все эти сценарии реализуются при размере частиц от 10 до 100 нм. С микрочастицами такие интересные эффекты недостижимы. Более того, микрочастицы внедряются в керамический слой совсем по другому механизму - просто осаждаясь, как при электрофорезе. Сценарий появления наночастиц стишовита очень похож на сценарий космической катастрофы - к подобным эффектам приводит мощный удар метеорита о землю. Только вместо гравитации наночастицы разгоняются электрическим полем.
Исследования выполнялись при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования РФ. Результаты опубликованы в одном из ведущих мировых журналов в области инженерии поверхности и технологий покрытий - Surface and Coatings Technology. По статистике в нем публикуется всего 18 процентов поступающих в редакцию научных работ. Сам факт новой публикации российских ученых на Западе доказывает, что наука может оставаться вне политики.
- Результат был крайне неожиданным и даже несколько пугающим, так как до нас в литературе такие эффекты никто не описывал. Открыть новую фазу в материале или переход в нее известного вещества - большая удача. И хотя мы относительно новички в этой области, мой научный руководитель профессор Михаил Криштал поверил в этот результат и ухватился за него, понимая важность, новизну и уникальность работы, - пояснил ведущий научный сотрудник ТГУ, кандидат технических наук Антон Полунин.