Учёные ТПУ нашли способ оптимизировать «рецепт» прочной керамики для имплантатов и электроники
Учёные ТПУ и Томского научного центра СО РАН оптимизировали «рецепт» форстеритовой керамики для электроники, огнеупоров и биомедицинских имплантатов. Новый золь-гель метод позволяет получать прочную керамику с высокой плотностью.
Учёные Томского политехнического университета и Томского научного центра СО РАН нашли способ оптимизировать «рецепт» получения качественного порошкового сырья для форстеритовой керамики — материала, который применяют в огнеупорных изделиях, электронике и биомедицинских имплантатах, сообщает пресс-служба ТПУ . Форстерит — это соединение магния, кремния и кислорода. Благодаря прочным химическим связям и высокой огнеупорности оно перспективно для производства диэлектриков в электронике, огнеупорной керамики и создания биосовместимых имплантатов в медицине. Главная сложность всегда заключалась в исходном сырье: для качественных изделий нужны порошки высокой химической чистоты с частицами одинакового размера и формы. Традиционные методы — из природных силикатов магния, оксидов или золь-гель нанопорошки — дают неоднородный состав, а частицы склонны к слипанию и плохо формуются. Новый золь-гель метод Томские исследователи предложили использовать для синтеза порошка форстерита новый золь-гель метод: в качестве исходных веществ взяли тетраэтоксисилан (источник кремния), нитрат магния и полиэтиленгликоль. Синтез проходил в растворе азотной кислоты, которая выступала катализатором гидролиза. В результате образовывались преимущественно сферические частицы-прекурсоры размером от одного до пяти микрометров. После прокаливания при температурах выше 900 градусов такие частицы превращаются в порошок форстеритового состава. Как пояснил ассистент Научно-образовательного центра Н. М. Кижнера ТПУ Александр Меженин, золь-гель методы обычно дают наночастицы, которые плохо формуются и мало подходят для изделий сложной формы. «Модели показывают, что идеальным сырьем были бы сферические микрочастицы, но для большинства керамических материалов методы их синтеза пока не разработаны. Мы частично восполнили этот пробел», — рассказал учёный. Ключевая трудность заключалась в том, чтобы сохранить и сферическую форму частиц, и стехиометрию форстерита с соотношением магния и кремния два к одному. Как устранили недостатки С помощью оптической микроскопии учёные проследили процесс образования сферических частиц в растворе благодаря фазовому разделению в присутствии полиэтиленгликоля. Выяснилось: при неоптимальных условиях частицы сливаются в крупные плотные капли размером до 30–50 микрометров, что ухудшает свойства порошка. Кроме того, промывка высушенных гелей в изопропиловом спирте вымывала часть нитрата магния и нарушала стехиометрию материала. Последовательная оптимизация методики позволила устранить оба недостатка. Полученный продукт учёные честно называют полусферическим: собственно микросферы составляют примерно половину частиц, остальное приходится на субмикроскопические частицы оксида магния. Прочная керамика для имплантатов Из новых порошков учёные спрессовали керамические образцы и спекали их при температурах 1300–1600 градусов, после чего изучили микроструктуру, фазовый состав и механические свойства. Исследования показали: керамика обладает чистым форстеритовым составом, открытой пористостью 1,3 процента и относительной плотностью 91 процент. Прочность при изгибе составила 202 мегапаскаля, микротвердость — 7,2 гигапаскаля. Эти значения сопоставимы с характеристиками керамики, полученной из золь-гель нанопорошков. Результаты работы опубликованы в авторитетном международном журнале Ceramics International, а впереди — проверка сферических порошков в реальных процессах формования: в суспензиях для 3D-печати, при литье и экструзии. Как вы думаете, какие разработки томских учёных стоит внедрять в медицину в первую очередь? Пишите в комментариях. Читайте также: Химики ТГУ создали гибридные материалы для адресной доставки лекарств В Томске состоялся конкурс научных докладов В Томске школьники победили на региональной олимпиаде по физике В Томске стартовал цикл научных встреч для молодёжи В Томске провели лабораторные практикумы для студентов Подписывайтесь на АНОНС-ИНФО во ВКонтакте и читайте больше новостей на портале Томска .