Ученые Института проблема машиноведения РАН, вместе с коллегами из других научных организаций Петербурга обнаружили, что при выращивании карбида кремния на кремнии инновационным способом, открытым ранее, появляются нанотрубки карбида кремния, перспективные для применения в литий-ионных аккумуляторах, углепластиковых материалах, автомобильной промышленности и медицине.

Результаты исследования опубликованы в журнале «Физика и техника полупроводников».

Наноматериалы находят широкое применение практически во всех областях науки техники и обыденной жизни. Это и нанопровода в микросхемах, это и квантовые точки, за которые в 2023 г. была присуждена Нобелевская премия и, которые широко используются при создании цветных дисплеев и других приборов. В последнее время их предлагается использовать для создания квантовых компьютеров. Наноматериалы широко используются и в биомедицине. При добавлении углеродных наночастиц в различные металлы и сплавы значительно увеличивается их прочность твёрдость. На основе наноматералов, в настоящее время, создают высокопрочные и износостойкие материалы.

Одной из разновидностей наноматериалов является нанотрубки. Например, одностенные углеродные нанотрубки применяются в литий-ионных аккумуляторах, углепластиковых материалах, автомобильной промышленности. В кислотно-свинцовых аккумуляторах добавление одностенных углеродных нанотрубок значительно увеличивает число циклов перезарядки аккумулятора. Так в некоторых исследованиях было показано, что замена графита, который используется в качестве отрицательного электрода на графит с добавками наноразмерного кремния может позволить увеличить ёмкость отрицательного электрода более чем в 10 раз.

Ученые лаборатории структурных и фазовых превращений в конденсированных средах ИПМаш РАН более 20 лет занимаются исследованием наноматериалов на основе кремния. Был создан принципиально новый вид выращивания монокристаллического карбида кремния на кремнии, который может привести к созданию нового типа электродов большой ёмкости.

Метод напоминает «генетический синтез» белковых структур в биологии. Качество структуры слоев, полученных данным методом, значительно превосходит качество пленок SiC, выращенных на кремниевых подложках ведущими мировыми компаниями. Метод дешев и технологичен.

«Оказалось, что в процессе синтеза пленок карбида кремния данным методом образуются не только высокосовершенные слои карбида кремния, покрывающие сверху кремниевую подложку, но формируются массивы нанотрубок под её поверхностью, глубоко, на несколько микрон, проникающие в глубь подложки», — рассказал руководитель лаборатории структурных и фазовых превращений в конденсированных средах ИПМаш РАН Сергей Кукушкин.

Он сравнил эти нанотрубки с корнями растений. Дальнейшие исследования показали, что таким образом был открыт новый метод получения нанотрубок. При данном механизме роста нанотрубки растут «сверху-вниз», в отличие от стандартного метода роста нанотрубок и нанокристаллов «снизу-вверх». Исследования показали, что эти нанотрубки можно отделить как от кремния, так и от верхнего слоя карбида кремния.

Полученные результаты открывают широкие перспективы по относительно дешевому получению массивов SiC-нанотрубок, которые потенциально могут быть использованы для ряда приборных приложений, например, для различных газовых сенсоров и датчиков. Кроме того, исследование образцов с культивированными на них стволовыми клетками человека показали, что они не обладают токсическим эффектом. По словам, старшего научного сотрудника, руководителя группы тканевой инженерии ИНЦ РАН Юлии Нащекиной, данные конфокальной микроскопии мезенхимных стромальных клеток (тип стволовых клеток), окрашенных родамин-фаллоидином для выявления актинового цитоскелета и ядерным красителем, продемонстрировали достаточно высокое сродство клеток с синтезированным наноструктурам. Клетки адгезировали и распластывались на поверхности наноструктур, что является частичным подтверждением их биосовместимости с синтезированными массивами SiC-нанотрубок. Это подтверждает возможности потенциального использования новых разработанных материалов для создания различного рода имплантатов.

Исследование выполнено учеными Института проблем машиноведения РАН совместно с коллегами из Санкт-Петербургского электротехнического университета ЛЭТИ (лаборатория микро- и наноэлектроники), Университета при межпарламентской ассамблее ЕврАзЭС, Института цитологии РАН при финансовой поддержке ООО «Научно-технического центра «Новые технологии»».