Синтез та обробка. Цей напрямок формує основу IRC NANO.

Ринок нанотехнологій – це світова галузь, яка досліджує, розробляє та комерціалізує продукти та застосування, що використовують матеріали нанорозмірного рівня, зазвичай від 1 до 100 нанометрів. Згідно з даними Verified Market Research, обсяг ринку нанотехнологій у 2024 році оцінювався в 22,1 млрд доларів США, а до 2032 року прогнозується зростання до 38,68 млрд доларів США, що становитиме 7,25% у середньому з 2026 по 2032 рік. 

Сучасний стан та виклики: Напрямок «Синтез та обробка» складається з двох залежних частин: цілеспрямованого синтезу наночастинок (за формою, розміром, кристалічністю, хіральністю, хімічним складом) та їх формування в більш складні структури та об’ємні матеріали. Діяльність IRC NANO забезпечить отримання добре охарактеризованих наночастинок та науково обґрунтовані методи консолідації. Окрім цілеспрямованого створення передових іонних, фероїчних та фотонних матеріалів, синтез та консолідація мають власні наукові завдання, такі як знання механізмів та рушійних сил процесів, їх кінетики та методів управління.

Синтез наночастинок: Виробництво наночастинок – це гігантське завдання, яке вирішувалося з самого початку ери нанотехнологій, що призвело до створення широкого спектру нанопорошків. Водночас стало відомо, що висока якість наноматеріалів, отриманих з частинок, можлива лише у разі їх спеціальної цілеспрямованої підготовки. Кристалічна структура, хіральність, чистота/поверхневі властивості та розподіл розмірів частинок, форма частинок, є основними характеристиками порошків. Більшість комерційних нанопорошків є полікристалічними, агломерованими та мають широкий розподіл розмірів. Щоб бути придатними для передових функціональних застосувань, вони повинні бути майже не оброблені.

Для створення унікальних функціональних наноматеріалів необхідно синтезувати монокристалічні наночастинки певного розміру, форми та хіральності. Такий підхід призведе до значних переваг в іоніці (відсутність розтріскування частинок активного матеріалу під час заряджання/розряджання акумулятора, підвищена іонна провідність текстурованих та хіральних носіїв заряду), фотоніці (анізотропні функціональні властивості текстурованих лазерних матриць та, в майбутньому, хіральних матриць) та фероїках (контроль поляризації вектора хіральності). 

Галузь хіральних неорганічних наноструктур швидко розширюється та призводить до хімічних та фізичних властивостей, на які можуть впливати циркулярно поляризовані електромагнітні поля. Найкращим прикладом хіральної структури, розробленої природою, є подвійна гіроїдна гіперповерхня в крилі метелика, яка є підказкою для матеріалознавців щодо того, як проектувати перспективні функціональні структури з наночастинок, використовуючи їх м’які зв’язки. Високі значення коефіцієнтів хіральної анізотропії зараз добре вивчені, але роль хіральної асиметрії в природі іонних, фероїчних та фотонних речовин залишається terra incognito для майбутніх відкриттів та застосувань. 

Обробка: Відомо, що наночастинки мають сильну природну здатність до складання. У традиційних порошкових технологіях це явище вважається шкідливим, оскільки воно провокує швидку агломерацію наночастинок та укрупнення внутрішньої зернистої структури. Водночас, згідно з багатьма теоретичними прогнозами та експериментальними спостереженнями, спрямоване складання наночастинок має значні перспективи як низьковитратний та високопродуктивний метод для широкого спектру наукових та технологічних застосувань. Кероване наноскладання все ще є фундаментальним технологічним та науковим завданням, але моделювання традиційно є одним з найпотужніших інструментів для розуміння фізичних процесів, що лежать в його основі.

Моделювання: Динамічне складання наночастинок утворює стабільні структури, які, загалом, не перебувають у рівновазі, і тому кінетика процесу має значний вплив на отримані структури. Моделювання молекулярної динаміки дозволяє прогнозувати складання наночастинок, а також кінетику перетворень на атомному структурному рівні.