Углеродное покрытие что это
Созданы оксидные покрытия углеродных материалов для улучшения производства высокопрочных композитов
Российские ученые предложили способ, который поможет совершить прорыв в угле-металлических композитах — перспективных многослойных материалах для авиакосмической отрасли. Одна из главных проблем в этой области — химическое взаимодействие между слоями, которое негативно влияет на свойства материалов. Чтобы справиться с ней, физики впервые применили метод электрохимического осаждения барьерных оксидных покрытий. Впоследствии это обеспечит меньшие потери прочности и более качественную структуру композитов.
Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Materials.
Композиты с металлической матрицей и углеродным волокном используются при создании космических кораблей и самолетов. Но компоненты таких материалов химически взаимодействуют между собой, из-за чего поверхность волокна деградирует, и прочность материала снижается. Поэтому ученые создают барьер между слоями с помощью оксидных покрытий.
Один из наиболее перспективных способов их нанесения — это золь-гель метод. Углеродную основу сначала погружают в раствор, который образует тонкую пленку геля на ее поверхности, а затем медленно извлекают и сушат. Этот способ хорошо отработан и имеет промышленное применение, однако он подходит лишь для подложек простой формы и практически не может использоваться для нанесения покрытий на углеродное волокно, которое имеет сложную рельефную поверхность.
Недавно российские ученые впервые применили комбинированный метод, сочетающий в себе электрохимическое нанесение покрытий и золь-гель процесс. Он позволяет формировать на подложке тонкий слой геля не за счет высыхания «пленки», а в результате электрохимической реакции, благодаря чему можно наносить покрытия на поверхности любой формы. На последнем этапе любого золь-гель метода проводится термическая обработка, в процессе которой из образца удаляются влага и органические остатки. При этом влияние условий в печи на состав и структуру получаемых покрытий оставалось неясным.
Ученые из Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН (Черноголовка), Московского физико-технического института (Москва) и Института экспериментальной минералогии РАН (Черноголовка) провели серию экспериментов, которые позволили определить, как влияет на конечный продукт температура. Само покрытие состояло из аморфного диоксида кремния и кристаллического карбоната калия.
Оказалось, что нагрев по меньшей мере до 570 °C не влияет на структуру и шероховатость покрытия; при увеличении температуры до 870 °C покрытие становилось более гладким и однородным, но нагрев выше 1170 °C приводил к нарушению структуры. Далее ученые оценили влияние каждого из этапов нанесения покрытия на прочность углеродного волокна. Выяснилось, что вся процедура нанесения электрохимическим золь-гель методом хотя и снизила прочность углеродных волокон, но не так сильно, как другие популярные методы. Так, после термообработки при температуре 870 °C волокно с покрытием потеряло всего 11% прочности, что оказалось наилучшим результатом. Для сравнения, при нанесении аналогичных покрытий другими методами потеря прочности волокна составляет от 19 до 40%.
«Оксидные покрытия углеродного волокна, изготовленные по нашей технологии, позволят создавать угле-металлические композиты нового поколения, что, безусловно, станет новым шагом в конструировании перспективных летательных аппаратов», — рассказывает Сергей Галышев, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат технических наук, научный сотрудник ИФТТ РАН.
Этой работой уже заинтересовались представители крупнейшего отечественного производителя углеродного волокна UMATEX Group, рассматривается возможность промышленного применения разрабатываемого метода.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
Пост сделан с содействием блогера Лес!
Углеродное покрытие что это
Существует большое количество работ, посвященных технологиям получения и исследованию физико-механических свойств различных углеродных покрытий (нанотрубок, нанокомпозитов, алмазоподобных пленок [1-4, 9]). Уникальные свойства углеродных покрытий позволяют использовать их в различных отраслях науки и техники, оптической промышленности, в полупроводниковых устройствах, механических системах в качестве антифрикционных материалов. Помимо уникальных физических свойств, такие покрытия имеют хорошую биологическую совместимость, о чем свидетельствуют многочисленные публикации, посвященные исследованию их биологических свойств.
Углерод является биологически инертным материалом, не вызывает ни токсичных, ни воспалительных реакций. Предполагается хорошая биологическая совместимость углерода с белками плазмы крови и живыми клетками организма человека [5]. Также имеется возможность получения наноструктурного углерода, по термодинамическим и геометрическим параметрам хорошо согласующихся с определенным типом молекул белков плазмы крови [2]. Таким образом, возможно формирование качественных границ раздела полимер-углеродное покрытие-кровь, что в значительной степени снижает негативное влияние имплантата на организм.
Реакция организма на медицинские изделия зависит от целого ряда физико-химических свойств биоматериалов, а именно гемосовместимость имплантата определяется его поверхностными свойствами: химическим составом, структурой и морфологией. Способы регулирования биологических свойств направлены на изменение свойств поверхности (химический состав, степень гидрофобности, поверхностный заряд, морфология и др.) [4], поэтому модификация поверхности биоматериалов является наиболее распространенным способом повышения гемосовместимости имплантатов [1]. Нанесение покрытий с определенными поверхностными свойствам имеют перспективы для более широкого внедрения в медицинскую практику.
Характер адсорбции во многом определяется гидрофобными взаимодействиями между поверхностью и молекулой белка: чем больше гидрофобность поверхности, тем больше площадь адсорбции [6]. Создание гидрофобных покрытий может быть осуществлено при соблюдении двух условий:
1) поверхность должна быть шероховатой с комбинацией рельефа на микро- и наноуровнях;
2) материал поверхности должен иметь угол смачивания более 90о [3].
Для получения углеродных покрытий применяют PVD и CVD технологии, из-за термического механизма образования покрытия не все эти методы позволяют наносить качественные покрытия на полимерные подложки. Поэтому в данном исследовании были выбраны методы, не разрушающие поверхность и не требующий нагрева подложки: метод лазерного напыления в вакууме и пульверизационное напыление мелкодисперсного коллоидного раствора.
Цель данной работы заключалась в исследовании поверхностных свойств углеродных покрытий, нанесенных разными методами на полиуретановую подложку с применением оптической, электронно-растровой и атомно-силовой микроскопии.
Материал и методы исследования
Рис. 1. Схема лазерного напыления в вакууме
Воздействие непрерывного лазерного излучения происходило в течение 5 минут с мощностью 70 Вт, давление в камере составляло 4,6•10-4мБ, длина волны 1030 нм. Как известно, при лазерном напылении полученные покрытия отличаются большим перепадом по толщине и неоднородностью [8]. Для определения зоны максимально равномерного напыления образцы находились на разном расстоянии от мишени, под различными углами.
Распыление ВОПГ мишени импульсным лазером осуществлялось при 4,5 Дж энергии в течение 400 импульсов, длина волны 1064 нм, при давлении в камере 4,6•10-4мБ. Полиуретановые подложки так же были расположены на разных расстояниях для определения зоны равномерного напыления.
Коллоидные растворы для нанесения пульверизационным методом готовились двумя способами:
1) Раствор, полученный лазерной абляцией с помощью фемтосекундного лазера ТЕТА-10 с Yb:KGW активной средой («Авеста», г. Троицк) путем воздействия на графитовую мишень сфокусированного фемтосекундного лазерного излучения (рис.2), и попаданием выбитых частиц материала в жидкую среду.
Рис. 2. Схема лазерной абляции в жидкости
2) Раствор, полученный путем растворением двух порошков (углеродные нанотрубки (УНТ) и мелкодисперсный ВОПГ) в специальном растворителе в пропорциях 1:10. Производилась селекция частиц ВОПГ путем мелкой фильтрации (размер ячеек 150, 75, 35, 15 и 10 мкм). Раствор в течение 24 часов стоял в вертикально закрепленной колбе, что позволило осадить более крупные частицы. Размер частиц в верхней части сосуда составлял не более 1 мкм.
Полученные растворы нанесли на поверхность полиуретана с помощью пульверизатора при следующих условиях: расстояние от сопла до подложки 150 мм, диаметр распыляемого пятна 45 мм, рабочее давление 0,5-2 атмосферы, диаметр сопла 0-150 мкм, температура рабочей среды 22оС.
Структурная оценка полученных покрытий проводились методом растровой электронной микроскопии на приборе Quanta 200 3D (FEI Company, Нидерланды).
Шероховатость поверхности осажденных слоев определялась методом атомно-силовой микроскопии (AСM) с помощью зондовой нанолаборатории ИНТЕГРА Спектра (NT-MDT, Россия, г. Зеленоград). Коэффициент шероховатости Rz рассчитывался по стандартной методике: по 10 точкам как среднее арифметическое абсолютных значений отклонений высоты 5 самых высоких и 5 самых глубоких точек от средней линии профиля поверхности [4]. Коэффициент шероховатости рассчитывается по формуле:
, (1)
где Rz – сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой линии; ypmi – высота i-го наибольшего выступа профиля; yvmi – глубина i-й наибольшей впадины профиля.
Поверхностное натяжение на границе раздела фаз вещества и воды является мерой интенсивности межмолекулярного взаимодействия. Чем выше гидрофильность вещества, тем ниже поверхностное натяжение. Гидрофильность и гидрофобность поверхности, а в нашем случае покрытия, оценивается краевым углом смачивания θ. Этот угол измеряется между поверхностью и каплей воды. Определение угла смачивания производилось на оптическом микроскопе (увеличение: max 100х20, min 8х3, разрешение – 1600х1200) с последующей обработкой изображения в программе Altami Studio, где имеется возможность определения геометрических характеристик исследуемых объектов.
Покрытие графита, нанесенное непрерывным лазером (рис. 3), легло периодично холмистой структурой. Краевой угол смачивания равен 87о. Коэффициент шероховатости рассчитывался согласно формуле (1) и составил: Rz=1,79 мкм.
Рис. 3. РЭМ-изображение покрытия ВОПГ, нанесенного непрерывным лазерным излучением
Покрытие ВОПГ, распыленное импульсным лазером, получилось хрупкое, на поверхности наблюдается большое количество хаотично распределённых, отшелушивающихся чешуек, образованных из-за низкой адгезии покрытия к материалу подложки, это обусловлено толщиной и площадью покрытия. Угол смачивания составил 71о. Коэффициент шероховатости рассчитать не удалось по причине повышенной шероховатости, исследование грозило поломкой зонда.
Покрытие мелкодисперсного ВОПГ, нанесённого пульверизационным методом, представляет зернистую структуру (рис. 4), размер частиц от 82 до 108 нм. Угол смачивания – 94о (рис. 5). Коэффициент шероховатости – 192 нм. Благодаря растворителю частицы проникают в поверхностный слой полиуретана, обеспечивая тем самым высокую адгезию покрытия с подложкой. Поэтому покрытие становится таким же пластичным, как и полимерная подложка, чем не отличаются покрытия, нанесенные лазерным напылением.
Рис. 4. РЭМ-изображение покрытия ВОПГ, нанесенного пульверизационным методом
Покрытие коллоидного раствора УНТ: шероховатость – 786 нм, краевой угол смачивания – 65о. Графитовое покрытие из коллоидного раствора, полученного лазерной абляцией: шероховатость – 25,1 нм, краевой угол смачивания – 61о.
Рис. 5. Измерение угла смачивания покрытия, нанесенного пульверизационным напылением коллоидного раствора ВОПГ
Нанопокрытия с базовой компонентой из алмазоподобного углерода
Екатеринбургские ученые разработали и успешно испытали многокомпонентные покрытия с повышенными функциональными свойствами. Улучшенные физико-механические и трибологические характеристики покрытий способствуют высокому уровню их износостойкости, что особенно востребовано в промышленности.
Для защиты от коррозии и повышения износостойкости в трибологии принято использовать специальные защитные покрытия, которые обладают высокой твердостью, стойкостью к окислению и термической стабильностью. Например, это могут быть карбиды и нитриды переходных металлов. Кроме того, чтобы улучшить трибологические показатели, специалистами предлагаются инновационные методы, такие как элементное легирование, архитектурное проектирование и новая технология нанесения.
Российские исследователи предложили использовать многослойные покрытия, уникальные свойства которых определяются сочетанием нанокомпозитной структуры с алмазоподобным углеродом. Материал показал высокий уровень износо-, эрозионной и коррозионной стойкости благодаря применению оригинального способа осаждения алмазоподобного углерода и вариации состава металлической мишени (Ti, Cr-Al, Cr-Al-Si). Конструкции на основе многокомпонентных структур необходимы на предприятиях машиностроительной и нефтегазовой отрасли, а также в стоматологии и ортопедии (имплантаты с покрытием из алмазоподобного углерода).
Сотрудники лаборатории углеродных наноматериалов Института физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН (г. Екатеринбург) – заведующий лабораторией, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН по Отделению нанотехнологий и информационных технологий Анатолий Брониславович Ринкевич и кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Анна Петровна Рубштейн – предоставили подробную информацию о характере, ходе и достигнутых показателях исследования, а также пояснили, что представляют собой многослойные покрытия на базе алмазоподобного углерода и в чем преимущество металлических имплантатов с покрытием.
Анатолий Брониславович Ринкевич – доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН по Отделению нанотехнологий и информационных технологий, заведующий лабораторией углеродных наноматериалов ИФМ УрО РАН
Анна Петровна Рубштейн – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории углеродных наноматериалов ИФМ УрО РАН
«В начале 80-х годов прошлого столетия в ИФМ УрО РАН была организована группа ученых для развития новых технологий. Поводом этому послужили опубликованные работы по вакуумному осаждению из паровой фазы углеродных пленок со свойствами, схожими со свойствами алмаза (высокая твердость, химическая инертность, низкий коэффициент трения, прозрачность в ИК диапазоне). Из-за схожести свойств пленки были названы алмазоподобным углеродом. Позже были открыты другие углеродные структуры с уникальными свойствами, а именно, фуллерены (1985 г.), нанотрубки (1991 г.) и графены (2004 г.).
Открытие новых углеродных материалов, в частности, алмазоподобного углерода, стимулировало интенсивное изучение физической природы их свойств, разработку новых способов осаждения, поиск областей их практического использования. Разработанные в ИФМ технологии нанесения износостойких алмазоподобных покрытий были востребованы на предприятиях Уральского региона, производящих металлообрабатывающий инструмент, трибологические детали машин и механизмов. Покрытия в несколько раз повышали срок службы различных изделий (метчики, твердосплавные пластинки, фрезы, долбяки, детали банковских машин, стоматологические боры), –
Анна Рубштейн ввела в курс истории изучения износостойких многослойных покрытий и повышения их эксплуатационных свойств, –
Однако, алмазоподобные углеродные покрытия имели ряд существенных недостатков. Покрытия отслаивались, трескались, долго прирабатывались до достижения низкого коэффициента трения, не выдерживали высоких температур. Нужно было снижать внутренние напряжения, сглаживать поверхность, улучшать сцепление с базовым материалом. Так пришла идея создания нанокомпозитных структур и многослойных покрытий с базовой компонентой из алмазоподобного углерода. Усилия были направлены на разработку многослойных покрытий, в которых углерод используется и в композитных слоях в виде кластера с частицами карбида металла, и как твердая прослойка между композитными слоями.
Наше преимущество состояло в реализации разных способов осаждения (физического и химического) алмазоподобных покрытий в одной напылительной установке, т.е. возможности их вариации в одном вакуумном цикле. Основная задача состояла в создании покрытий с улучшенными эксплуатационными свойствами. Для этого были изучены свойства отдельных слоев разного состава, а также их взаимодействие при формировании многослойной многокомпонентной системы. Исследования проводились с использованием комплекса современных методов, таких как электронная микроскопия высокого разрешения, атомно-силовая микроскопия, малоугловой рентгеновский структурный анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния и т.д. Именно комплексный подход позволил выявить влияние структуры углеродного кластера, размера частиц, границ, толщины слоев, межслоевой адгезии на механические и трибологические свойства покрытий. Эти факторы создают синергетический эффект, что способствует созданию новых покрытий с повышенными функциональными свойствами».
Сечение покрытие-подложка Сканирующая электронная микроскопия
Скорость эрозионного изнашивания однослойных покрытий и многослойных со слоями аналогичного состава
Анна Рубштейн пояснила выбор физиков и сообщила, какие цели были достигнуты в работе, –
Структура покрытий зависит от способа формирования углеродной плазмы (распыление графита или деструкция углеводорода) и состава металлической мишени. Cr-Al-С покрытия состоят из аморфной матрицы с включениями карбида хрома Cr3C, MAX фазы Cr2AlC и оксида алюминия Al2O3. Обнаружен также микрокристаллический графит в виде пластин из нескольких слоев графена. Такая структура обеспечивает высокую твердость покрытий, износостойкость и устойчивость к коррозии. При комбинации Cr-Al-C слоев со слоями алмазоподобного углерода износостойкость покрытия повышается более чем в 5 раз. Осаждение алмазоподобных слоев из углеводородной плазмы увеличивает износостойкость более чем в 40 раз за счет усиления интерфейсных границ, снижения коэффициента трения и хорошей адгезии покрытия к подложке».
Фрикционный износ в одинаковых условиях однослойного Cr-Al-C покрытия (а) и многослойного [Cr–Al–C)/a-C]20 (б)
Что представляет собой техника наноиндентирования (nanoindentation), с помощью которой были определены эффективная твердость и модуль упругости многослойных покрытий?
«Твердость (Н) и модуль упругости (Е) – важные характеристики износостойких покрытий, т.к. связаны с упругими и пластическими свойствами материала. По показателям H/E и H 3 /E 2 можно прогнозировать износостойкость покрытий. Поэтому корректному определению твердости и модуля упругости тонких покрытий уделяется серьезное внимание. Традиционные методы измерения твердости, применяемые для массивных однородных материалов, не подходят для покрытий толщиной в несколько микрон. Система покрытие-подложка состоит из материалов разной твердости. При глубине внедрения индентора (трехгранной или четырехгранной алмазной пирамиды), превышающей толщину покрытия, материал подложки неизбежно будет оказывать влияние на механические характеристики покрытия. Для тонких покрытий применяется метод наноиндентирования, основанный на использовании малых нагрузок. При малых нагрузках измерить диаметр отпечатка сложно, его размеры составляют нанометры, особенно на сверхтвердых покрытиях. Твердость рассчитывается по диаграммам нагрузка-разгрузка, снимаемым в автоматическом режиме. Для этого используются специальные приборы, в частности, имеющийся в ИФМ NanoTest 600 (Micro Materials Ltd, UK). Корректное определение твердости тонких покрытий возможно только при соблюдении следующих условий. Глубина внедрения индентора должна быть в 10 раз меньше толщины покрытия для минимизации влияния подложки и в 20 раз превышать среднюю шероховатость покрытия во избежание погрешности в измерении глубины индентирования. В случае многослойных покрытий определяется эффективная твердость или усредненная по слоям, следовательно, для достоверности результата глубина внедрения индентора должна в несколько раз превышать толщину повторяющейся структурной единицы», – объяснила Анна Рубштейн.
Технологические разработки новых покрытий и их исследование проводятся группой научных сотрудников лаборатории углеродных наноматериалов ИФМ УрО РАН. Возглавляет исследования доктор ф.-м. н., член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией Анатолий Брониславович Ринкевич. Основными исполнителями являются Анна Петровна Рубштейн, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, Александр Борисович Владимиров, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник и Сергей Александрович Плотников, научный сотрудник. В группу также входят инженеры-технологи Югов Валерий Анатольевич и Васильев Владимир Юрьевич.
Кроме того, сотрудниками лаборатории в 2017-2018 гг. успешно был выполнен проект РФФИ по теме «Многослойные пленочные системы на основе алмазоподобного углерода и карбидообразующих металлов для улучшения твердости, износо- и коррозионной стойкости поверхности металлов». Работы проводились совместно с группой ученых из Ланьчжоусского института химической физики (ЛИХФ) Китайской академии наук. Руководителем работ с китайской стороны был профессор Junyan Zhang. Сотрудничество с этим институтом продолжается с 2007 г. ИФМ УрО РАН и ЛИХФ обладают взаимодополняющими возможностями по исследованию тонких покрытий для трибологии. Китайские партнеры проводили трибологические испытания покрытий, полученных в ИФМ УрО РАН. Российские специалисты – исследовали структуру и механические свойства.
По итогам выполнения проекта получено два патента (патент РФ № 2656312 «Способ нанесения твердых износостойких наноструктурных покрытий из аморфного алмазоподобного углерода» и патент РФ № 2674795 «Многослойное износостойкое покрытие на стальной подложке»), результаты опубликованы в отечественных и международных рецензируемых изданиях, в частности, SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, 2019, SOL. STAT. PHENOMENA, 2018, JOURNAL OF PHYSICS: CONFERENCE SERIES, 2019.
На фото слева направо участники проекта: к.ф.-м.н., старший научный сотрудник Александр Борисович Владимиров, научный сотрудник Плотников Сергей Александрович, инженеры-технологи Васильев Владимир Юрьевич и Югов Валерий Анатольевич
Алмазоподобные углеродные покрытия находят применение в сфере медицины, конкурируя с другими новаторскими идеями. Сегодня в отечественной науке представлены различные авторские технологии хирургического лечения, например, с использованием интерметаллического сплава никелида титана. Екатеринбургские ученые подчеркивают оригинальность своей разработки покрытий для внутрикостных и дентальных имплантатов с алмазоподобным углеродом.
«В качестве материалов для имплантатов ортопедического профиля традиционно используют металлы, такие как нержавеющая сталь, молибденовые и кобальт-хромовые сплавы, титан и его сплавы, тантал, ниобий. Особое место занимает никелид титана, у которого в начале 60-х годов прошлого века были обнаружены эффект памяти формы и сверхупругие свойства. Прочность и эластичность, память формы, способность к интеграции с костью бесспорно привлекли внимание к никелиду титана, как материалу для изготовления медицинского инструментария, а также изделий и конструкций, имплантируемых в живой организм. Однако, если некоторые технические характеристики никелида титана перспективны, то по-прежнему вызывают тревогу данные о токсическом и аллергическом действии на организм никеля. Применение покрытий, «прикрывающих» поверхность металлического имплантата от непосредственного контакта с живой тканью, позволяет избежать во многих случаях негативной реакции организма. Здесь следует отметить, что покрытие толщиной в несколько микрон не влияет на физико-механические характеристики имплантата, оно меняет только свойства его поверхности. И это очень важно, т.к. при погружении имплантата в зону дефекта в первую очередь поверхность вступает во взаимодействие с биологической средой, –
Анатолий Ринкевич выразил мнение по поводу современных практикующих разработок и отметил уникальные аспекты авторского решения специалистов лаборатории углеродных наноматериалов ИФМ УрО РАН, –
К покрытиям предъявляются те же требования, что и к материалам медицинского назначения. Покрытие должно быть биосовместимым, т.е. нетоксичным, неиммуногенным, нетромбообразующим, неканцерогенным, нераздражающим, не вызывающим негативную реакцию организма в целом и т.д. Как показали наши обширные эксперименты на животных (доклинические испытания), алмазоподобный углерод обладает всеми этими свойствами. Важным преимуществом осаждаемых нами алмазоподобных углеродных покрытий является то, что 80 % атомов углерода образуют между собой связи, аналогичные связям в алмазе. Именно такие покрытия химически инертны, благодаря чему они длительное время сохраняют свои свойства в условиях биологической среды. Количество «алмазных связей» определяет также и поверхностную энергию покрытия, которая, наряду с шероховатостью, играет первостепенную роль в образовании клеточного слоя.
Что касается шероховатости, были подобраны такие условия осаждения, при которых поверхность покрытия имеет среднюю шероховатость наноуровня, на фоне которой формируются отдельные выступы микронной высоты. Такая двухуровневая шероховатость создает благоприятные условия для адгезии и пролиферации клеток, а также активации факторов, ответственных за остеогенную дифференциацию клеток. Алмазоподобные пленки уменьшают коррозию металлов, снижают вероятность возникновения дистрофических изменений кости в зоне контакта с имплантатом, обеспечивают нормальные условия для развития костной ткани. Они способствуют образованию прочного сцепления кость-имплантат. Все это в совокупности снижает риск развития реакции отторжения имплантатов, а при клиническом применении предполагает более раннюю функциональную реабилитацию пациентов».
Работа специалистов ИФМ УрО РАН проходила совместно с Уральским институтом травматологии и ортопедии им. В.Д. Чаклина (г. Екатеринбург), Уральским государственным медицинским университетом (г. Екатеринбург) и Институтом экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН (г. Пермь). Предприятие ООО Нараяма (Москва, Сколково) получило Регистрационное удостоверение Росздравнадзора на дентальный имплантат с покрытием, разработанным в ИФМ УрО РАН. Началось производство имплантатов. Их тестирование проводится в стоматологических клиниках Уральского региона. Как отметил Анатолий Ринкевич, на данный момент проводится «пилотное клиническое исследование по применению титановых пластин с покрытием для оперативного лечения переломов костей предплечья. Исследование разрешено Локальным этическим комитетом. Каких-либо осложнений у пациентов не было выявлено ни во время операции, ни в последующие месяцы наблюдения после нее. К настоящему времени лечение успешно завершено у 6 человек, из них 5 вернулись к профессиональному труду, 1- пенсионер по возрасту. Работа выполняется совместно с Уральским государственным медицинским университетом».
Таким образом, нанокомпозитные структуры с твердой углеродной алмазоподобной составляющей убедительно продемонстрировали особые физико-механические свойства, намеченный спектр функционального предназначения и апробированы in vivo в качестве материала для ортопедических и дентальных имплантатов.
Дальнейшие шаги уральских исследователей направлены на разработку новых газонепроницаемых и антикоррозионных покрытий на основе тройных нитридов переходных металлов (TiAlNbN) и алмазоподобного углерода с улучшенными механическими и трибологическими свойствами. По словам Анатолия Ринкевича, «расчеты механических свойств нитридов переходных металлов, выполненные на основе теории функционала плотности (DFT), показали их перспективность для создания твердых покрытий. Установлено, что гибридизация металлических d и азотных 2p-орбиталей является ключевым фактором, определяющим механическую стабильность и твердость в этих соединениях. Плотная алмазоподобная углеродная прослойка между слоями тройных нитридов улучшит антикоррозионные и барьерные свойства многослойного покрытия в целом. Кроме того, ведутся работы по созданию и исследованию биоактивных антибактериальных покрытий на основе углерода с тетрагональным и тригональным ближним порядком для костно-замещающих имплантатов. Покрытия должны сочетать в себе остеоиндуктивные и антибактериальные свойства. Сочетание таких свойств возможно при наличии в покрытии алмазоподобных структур с преимущественно алмазными связями между атомами углерода и аморфных углеродных кластеров, легированных антибактериальными ионами. Работа ведется совместно с Тюменским государственным медицинским университетом (г. Тюмень)».