Тема: Исследование фрактальных свойств ксерогелей диоксида циркония при различных температурах отжига

Научное сообщество заинтересовалось изучением фрактальных объектов лишь в конце 20-го века, после создания Б. Мандельбротом концепции фрактальной геометрии природы [1]. В настоящее время эта концепция находит широкое применение при исследовании структуры объектов (от нано- до макромасштабов) и временных процессов различной природы. Такой успех фрактальная концепция приобрела в связи с тем, что структура, основанная на принципе самоподобия при изменении масштаба объекта, является одной из самых распространенных типов организации объектов в пространстве и времени. На наномасштабе в неорганических объектах фрактальные структуры образуются в процессе синтеза материалов в результате химических реакций и кристаллизации. Регулируя рН и температуру во время синтеза, можно получать объекты с различными заданными параметрами, такими, например, как удельная площадь поверхности [2]. Как известно, структура материала зачастую определяет их свойства. Так, например, материалы, синтезированные на основе диоксида циркония, могут обладать фрактальной структурой, которая, в свою очередь, напрямую связана с сорбционными свойствами материала [3]. Диоксид циркония, получаемый методами «мягкой химии», с одной стороны, считается достаточно хорошо изученным материалом в отношении фрактальных свойств, однако, систематической зависимости получаемой структуры диоксида циркония от температуры и рН, при которой производился синтез, на сегодняшний день не до конца изучены. В частности остался невыясненным вопрос о моделировании частицы с поверхностным типом фрактальной организации, а так же возможности перехода частицы из состояния со структурой объемного фрактала к состоянию со структурой поверхностного фрактала.
Таким образом, исследование фрактальных свойств диоксида циркония, остается актуальной темой как в контексте развития фрактальной концепции вещества, так и собственно для описания структуры материалов, синтезированных на основе диоксида циркония.
Целью работы является анализ влияния температуры отжига на фрактальную структуру гидратированного оксида циркония.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
• Изучить имеющийся научный задел по этой проблеме.
• Провести эксперимент по измерению сечения малоуглового рассеяния нейтронов.
• Обработать экспериментальные данные малоуглового рассеяния нейтронов для образцов гидратированного оксида циркония, синтезированных при различных температурах отжига.
• Определить фрактальную структуру образцов и изучить влияние температуры отжига.
• Построить модель формирования фрактальной частицы, отражающую изменение фрактальной структуры в этих образцах.
В данной работе методом малоуглового рассеяния нейтронов определены параметры мезоструктуры образцов аморфного гидратированного оксида циркония и их эволюция на разных стадиях термической обработки. Установлено, что частицы аморфного диоксида циркония, формирующие структуру объемного фрактала, в процессе отжига при температурах равной или большей 400ОС трансформируются в частицы с ядром и «шубой» вокруг него со структурой поверхностного фрактала. Предложена модель формирования фрактальной частицы, подразумевающей существование поверхностного фрактала на плотном ядре. Полученные результаты могут положить начало изучения перехода между объемным фракталом и поверхностным фракталом.
Список публикаций:
1. Л.А. Азарова, Г.П. Копица, Е.Г. Яшина, В.М. Гарамус, С.В. Григорьев; Исследование фрактальных свойств ксерогелей диоксида циркония при различных температурах отжига, Школа ПИЯФ по физике конденсированного состояния (ФКС-2017), 11-16 марта 2017 г., Санкт-Петербург: [сборник тезисов].
На защиту выносятся следующие положения:
1) Обнаружен структурный переход частицы из состояния со структурой объемного фрактала к состоянию со структурой поверхностного фрактала в ксерогелях диоксида циркония при повышении температуры отжига;
2) Предложена модель превращения частиц с разным типом фрактальной структуры, описывающая формирование внутри частицы со структурой объемного фрактала плотного ядра, которое, обуславливает появление частицы с характеристиками поверхностного фрактала.
Купить

В работе были проанализированы данные по малоугловому рассеянию нейтронов от образцов гидратированного оксида циркония при различных температурах отжига. Было обнаружено, что образцы гидратированного оксида циркония, подвергнутые термической обработке при относительно малых температурах 100С, состоят из аморфных частиц, характеризующихся структурой объемного фрактала. Поскольку диапазон наблюдения ограничен разрешением установки, на картине рассеяния наблюдаются частицы с верхней границей самоподобия фрактала около 500 А и нижней границей самоподобия около 14 А. Следует отметить, что в работах [2, 15, 16], абсолютное большинство синтезированных золь-гель методом образцов имело структуру поверхностного фрактала, из чего можно сделать предположение, что структура объемного фрактала является метастабильной для данного соединения. При повышении температуры отжига до 400С начинается процесс кристаллизации, и частица со структурой объемного фрактала трансформируется в плотное «ядро» с размером порядка 30 А и поверхностным фракталом с нижней границей самоподобия - размером ядра и верхней границей более 500 А. Однако из-за формирования ядра внутри фрактальной структуры, фрактал становится поверхностным, что и наблюдается в эксперименте. При дальнейшем повышении температуры до 600С образец продолжает кристаллизоваться, а ядро приобретает диффузную поверхность, и при этом растет до 200 А. При температуре отжига в 900С наблюдается только ядро с диффузной поверхностью и размером 300 А.
Исходя из результатов анализа, предложена модель эволюции частиц с фрактальной структурой - формирование плотного ядра внутри частицы со структурой объемного фрактала, при этом частица характеризующаяся структурой объемного фрактала с появлением ядра трансформируется в частицу - поверхностный фрактал. Для более точного описания данного перехода, а именно его структуры и механизмов, будут проводиться дальнейшие исследования.
Купить