kaz44Вестник Университета Шакарима. Серия технические наукиBulletin of Shakarim University. Technical Sciences2788-79953006-0524«Шәкәрім университеті» КеАҚ10.53360/2788-7995-2024-3(15)-32kaz44-1223Research ArticleТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ ГРАФЕНАSURFACE ENERGY OF GRAPHENEhttps://orcid.org/0000-0002-7918-9656ЮровВ. М.YurovV. M.

Виктор Михайлович Юров – ведущий научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, доцент,

010000, г. Астана, пр. Республика, д. 3/2

Viktor Mikhailovich Yurov – Leading researcher, candidate of physical and mathematical sciences, associate professor,

010000, Astana, Respublika Ave., 3/2, apt. 40

exciton@list.ruЖангозинК. Н.ZhangozinK. N.

Канат Накошевич Жангозин – директор, ведущий научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, доцент,

010000, г. Астана, пр. Республика, д. 3/2

Kanat Nakoshevich Zhangozin – Director, Leading Researcher, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor,

010000, Astana, Respublika Ave., 3/2, apt. 40

4kzh@mail.ruЖанабергеновТ. К.ZhanabergenovT. K.

Тимурхан Кудайбергенович Жанабергенов – ведущий научный сотрудник, доктор PhD,

010000, г. Астана, пр. Республика, д. 3/2

Timurkhan Kudaibergenovich Zhanabergenov – Leading researcher of «TSK-Vostok» LLP, PhD,

010000, Astana, Respublika Ave., 3/2, apt. 40

4tkz@bk.ruКаргинД. Б.KarginD. B.

Джумат Бейсенбекович Каргин – кандидат физико-математических наук, доцент, директор департамента коммерциализации технологий,

010008, г. Астана, ул. Сатпаева, 2

Djumat Beisenbekovich Kargin – candidate of physical and mathematical sciences, associate professor, director of the department of technology commercialization,

010008, Astana, Satpayev str., 2

kargin_db@enu.kzТОО «Восток»КазахстанLLP «Vostok»KazakhstanЕвразийский национальный университет им. Л.Н. ГумилеваL.N. Gumilyov Eurasian National University20242709202403(15)243252Copyright © Юров В.М., Жангозин К.Н., Жанабергенов Т.К., Каргин Д.Б., 20242024Юров В.М., Жангозин К.Н., Жанабергенов Т.К., Каргин Д.Б.Yurov V.M., Zhangozin K.N., Zhanabergenov T.K., Kargin D.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tech.vestnik.shakarim.kz/jour/article/view/1223

Рассмотрен метод «лежащей капли» для определения поверхностной энергии твердых тел – γ. Для графита и графена этим методом были получены средние значения – γ2 = 53,6 ± 2,1 и γ1 = 44,8 ± 14,7 мДж/м2. Методом раскалывания кристаллов для графита было получено среднее значения γ2 = 3250 мДж/м2, что в 60 раз превышает значение γ2, полученной методом «лежащей капли». Анализ обоих методов показал, что метод «лежащей капли» для определения поверхностной энергии твердых тел нельзя применять без его модификации. Нами предлагаются новые методы определения поверхностной энергии твердых тел: 1) через температуру плавления твердого тела; 2) через размерную зависимость физического свойства от толщины осаждаемого покрытия; 3) через измеряемую величину контактной разности потенциалов. Для графена получены следующие значения – γ1 = 947,1; γ1 = 974; γ1 = 960 мДж/м2, что на порядок выше, чем в методе «лежащей капли». Значения γ1 нужно умножить на 3 и получим значения для графита – γ2 = 2841; γ2 = 2922, γ2 = 2880 мДж/м2, что незначительно отличается от метода раскалывания кристаллов.

The «sessile drop» method for determining the surface energy of solids – γ is considered. For graphite and graphene, this method yielded average values of γ2 = 53.6 ± 2.1 and γ1 = 44.8 ± 14.7 mJ/m2. Using the crystal cleavage method for graphite, the average value of γ2 = 3250 mJ/m2 was obtained, which is 60 times higher than the value of γ2 obtained by the "sessile drop" method. Analysis of both methods showed that the "sessile drop" method for determining the surface energy of solids cannot be used without modification. We propose new methods for determining the surface energy of solids: 1) through the melting point of a solid; 2) through the size dependence of a physical property on the thickness of the deposited coating; 3) through the measured value of the contact potential difference. The following values were obtained for graphene: γ1 = 947.1; γ1 = 974; γ1 = 960 mJ/m2, which is an order of magnitude higher than in the sessile drop method. The values of γ1 must be multiplied by 3 and we obtain the values for graphite – γ2 = 2841; γ2 = 2922, γ2 = 2880 mJ/m2, which differs slightly from the crystal splitting method.

графитграфенповерхностьэнергияметод «лежащей капли»раскалываниекристаллтвердое телоgraphitegraphenesurface energysessile drop methodcrystal cleavagesolidДанная научная статья опубликована в рамках выполнения грантового финансирования на 2024-2026 годы ИРН № АР32488258 «Разработка инновационной технологии получения графена интеркаляцией графита микрокластерной водой и модификация графеном ВТСП керамики» (исследование финансируется Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан).ReferencesElectric field effect in atomically thin carbon films / K.S. Novoselov et al // Science. – 2004. – V. 306, № 5696. – P. 666-669.Electric field effect in atomically thin carbon films / K.S. Novoselov et al // Science. – 2004. – V. 306, № 5696. – P. 666-669. (in English).Новоселов К.С. Графен: материалы Флатландии / К.С. Новоселов // УФН. – 2011. – Т. 181, № 12. – С. 1299-1311.Novoselov K.S. Grafen: materialy Flatlandii / K.S. Novoselov // UFN. – 2011. – T. 181, № 12. – S. 1299-1311. (in Russian).Баимова Ю.А. Графен, нанотрубки и другие углеродные наноструктуры / Ю.А. Баимова, Р.Р. Мулюков. – М.: Российская академия наук, 2018. – 212 с.Baimova YU.A. Grafen, nanotrubki i drugie uglerodnye nanostruktury / YU.A. Baimova, R.R. Mulyukov. – M.: Rossiiskaya akademiya nauk, 2018. – 212 s. (in Russian).Zhang T. Graphene. From Theory to Applications / T. Zhang. – Springer, 2022. – 142 р.Zhang T. Graphene. From Theory to Applications / T. Zhang. – Springer, 2022. – 142 р. (in English).Gupta R.K. 3D Graphene. Fundamentals, Synthesis and Emerging Applications / R.K. Gupta. – Springer, 2023. – 441 р.Gupta R.K. 3D Graphene. Fundamentals, Synthesis and Emerging Applications / R.K. Gupta. – Springer, 2023. – 441 р. (in English).Гаршев А.В. Мониторинг развития и внедрения технологий получения графена, его производных, других 2D кристаллов и производства изделий на основе 2D кристаллов в Российской Федерации и мире / А.В. Гаршев. – М.: Отчет РФ, 2019. – 396 с.Garshev A.V. Monitoring razvitiya i vnedreniya tekhnologii polucheniya grafena, ego proizvodnykh, drugikh 2D kristallov i proizvodstva izdelii na osnove 2D kristallov v Rossiiskoi Federatsii i mire / A.V. Garshev. – M.: Otchet RF, 2019. – 396 s. (in Russian).Жангозин К.Н. О новом методе получения порошкового графена / К.Н. Жангозин, Т.К. Жанабергенов, Д.Б. Каргин // Вестник ЕНУ им. Л. Гумилёва. – 2021. – Том 136, № 3. – С. 8-16.Zhangozin K.N. O novom metode polucheniya poroshkovogo grafena / K.N. Zhangozin, T.K. Zhanabergenov, D.B. Kargin // Vestnik ENU im. L. Gumileva. – 2021. – tom 136, № 3. – S. 8-16. (in Russian).Жангозин К.Н. Новый метод получения графена интеркаляцией графита микрокластерной водой / К.Н. Жангозин. – Алматы: Darkhan, 2023. – 102 с.Zhangozin K.N. Novyi metod polucheniya grafena interkalyatsiei grafita mikroklasternoi vodoi / K.N. Zhangozin. – Almaty: Darkhan, 2023. – 102 s. (in Russian).Поверхностные явления в графите и получение из него графена / В.М. Юров и др. // Новости науки Казахстана. – 2024. – № 1. – С. 11-23.Poverkhnostnye yavleniya v grafite i poluchenie iz nego grafena / V.M. Yurov i dr. // Novosti nauki Kazakhstana. – 2024. – № 1. – S. 11-23. (in Russian).Шебзухова И.Г. Поверхностные энергия и натяжение металлических кристаллов, кинетика адсорбции компонентов бинарных систем: дис. докт. физ.-мат. наук: 01.04.07 / Шебзухова Ирина Гусейновна; Кабард.-Балкар. гос. ун-т им. Х.М. Бербекова. – Нальчик, 2013. – 370 с.Shebzukhova I.G. Poverkhnostnye ehnergiya i natyazhenie metallicheskikh kristallov, kinetika adsorbtsii komponentov binarnykh sistem: dis. dokt. fiz.-mat. nauk: 01.04.07 / Shebzukhova Irina Guseinovna; Kabard. – Balkar. gos. un-t im. KH.M. Berbekova. – Nal'chik, 2013. – 370 s. (in Russian).Федоров В.Т. Поверхностная энергия в процессах измельчения твердых тел / В.Т. Федоров, М.Н. Кокоев // Вестник Дагестанского ГТУ. Технические науки. – 2023. – Т. 50(3). – С. 181-189.Fedorov V.T. Poverkhnostnaya ehnergiya v protsessakh izmel'cheniya tverdykh tel / V.T. Fedorov, M.N. Kokoev // Vestnik Dagestanskogo GTU. Tekhnicheskie nauki. – 2023. – T. 50(3). – S. 181-189. (in Russian).Wettability and surface free energy of graphene films / S. Wang et al // Langmuir: the ACS journal of surfaces and colloids. – 2009. – Vol. 25, № 18. – P. 11078-11081.Wettability and surface free energy of graphene films / S. Wang et al // Langmuir: the ACS journal of surfaces and colloids. – 2009. – Vol. 25, № 18. – P. 11078-11081. (in English).Su R. Wettability and Surface Free Energy Analyses of Monolayer Graphene / R. Su, X. Zhang // Journal of Thermal Science. – 2018. – Vol. 27(5934). – P. 1-5.Su R. Wettability and Surface Free Energy Analyses of Monolayer Graphene / R. Su, X. Zhang // Journal of Thermal Science. – 2018. – Vol. 27(5934). – P. 1-5. (in English).Ferguson A. The Surface Energetics of Low Dimensional Nanomaterials / А. Ferguson. – Trinity College Dublin. – 2016. – 188 р.Ferguson A. The Surface Energetics of Low Dimensional Nanomaterials / A. Ferguson. – Trinity College Dublin. – 2016. – 188 р. (in English).Rohman N. Surface free energy of graphene-based coatings and its component elements / N. Rohman, T. Mohiuddin, M. Al-Rugeishi // Inorganic Chemistry Communications. – 2023. – Vol. 153(4). – P. 10855-110855.Rohman N. Surface free energy of graphene-based coatings and its component elements / N. Rohman, T. Mohiuddin, M. Al-Rugeishi // Inorganic Chemistry Communications. – 2023. – Vol. 153(4). – P. 10855-110855. (in English).Graphene Surface Energy by Contact Angle Measurements / M.S. Al-Ruqeishi et al // Arabian Journal for Science and Engineering. – 2022. – Р. 1-6.Graphene Surface Energy by Contact Angle Measurements / M.S. Al-Ruqeishi et al // Arabian Journal for Science and Engineering. – 2022. – Р. 1-6. (in English).Obreimoff J.W. The splitting reigth of mica / J.W. Obreimoff // Proc. Roy. Soc. – 1930. – V. A127. – P. 290-293.Obreimoff J.W. The splitting reigth of mica / J.W. Obreimoff // Proc. Roy. Soc. – 1930. – V. A127. – P. 290-293. (in English).Obreimoff revisited: Controlled heterogeneous fracture through the splitting of mica / M. Johnson et al // Mechanics of Materials. – 2019. – V. 136(01). – Р. 103088.Obreimoff revisited: Controlled heterogeneous fracture through the splitting of mica / M. Johnson et al // Mechanics of Materials. – 2019. – V. 136(01). – R. 103088. (in English).Interfacial energy states of moisture-exposed cracks in mica / K.-T. Wan et al // J. Mater. Res. – 1990. - V. 5(1). – Р. 172-182.Interfacial energy states of moisture-exposed cracks in mica / K.-T. Wan et al // J. Mater. Res. – 1990. – V. 5(1). – R. 172-182. (in English).Wan K.-T. Fracture and contact adhesion energies of mica-mica, silica-silica, and mica-silica interfaces in dry and moist atmospheres / K.-T. Wan, D.T. Smith, B.R. Lawn // J. Am. Ceram. Soc. – 1992. – V. 75(3). – Р. 667-676.Wan K.-T. Fracture and contact adhesion energies of mica-mica, silica-silica, and mica-silica interfaces in dry and moist atmospheres / K.-T. Wan, D.T. Smith, B.R. Lawn // J. Am. Ceram. Soc. – 1992. – V. 75(3). – R. 667-676. (in English).Yurov V. Аbout the mechanism of mica splitting / V. Yurov, K. Zhangozin // Sciences of Europe. – 2024. – № 133. – Р. 97-104.Yurov V. About the mechanism of mica splitting / V. Yurov, K. Zhangozin // Sciences of Europe. – 2024. – № 133. – R. 97-104. (in English).Ножкина А.В. Поверхностная энергия алмаза и графита / А.В. Ножкина, В.И. Костиков // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника, технология его изготовления и применения. – 2017. – Вып. 20. – С. 161-167.Nozhkina A.V. Poverkhnostnaya ehnergiya almaza i grafita / A.V. Nozhkina, V.I. Kostikov // Porodorazrushayushchii i metalloobrabatyvayushchii instrument – tekhnika, tekhnologiya ego izgotovleniya i primeneniya. – 2017. – Vyp. 20. – S. 161-167. (in Russian).Турчанинов М.А. Механизмы кристаллизации жидкого углерода, полученного при плавлении графита импульсом лазера в газовых средах с давлением ∼ 10 МПа : диссертация ... кандидата физико-математических наук: 01.04.14 / Турчанинов Михаил Александрович; Объед. ин-т высок. температур РАН. – Москва, 2010. – 128 с.Turchaninov M.A. Mekhanizmy kristallizatsii zhidkogo ugleroda, poluchennogo pri plavlenii grafita impul'som lazera v gazovykh sredakh s davleniem ∼ 10 MPa : dissertatsiya ... kandidata fiziko-matematicheskikh nauk : 01.04.14 / Turchaninov Mikhail Aleksandrovich; Ob"ed. in-t vysok. temperatur RAN. – Moskva, 2010. – 128 s. (in Russian).Jiang Q. Thermodynamic phase stabilities of nanocarbon / Q. Jiang, Z.P. Chen // Carbon. – 2006. – Vol. 44, iss. 1. – P. 79-83.Jiang Q. Thermodynamic phase stabilities of nanocarbon / Q. Jiang, Z.P. Chen // Carbon. – 2006. – Vol. 44, iss. 1. – P. 79-83. (in English).Сенють В.Т. Термодинамический анализ процесса формирования наноструктурного поликристаллического материала на основе наноалмазов, модифицированных неалмазным углеродом (часть 2) / В.Т. Сенють, П.А. Витязь, А.М. Парницкий // Механика машин, механизмов и материалов. – 2023. – № 4(65). – С. 76-84.Senyut' V.T. Termodinamicheskii analiz protsessa formirovaniya nanostrukturnogo polikristallicheskogo materiala na osnove nanoalmazov, modifitsirovannykh nealmaznym uglerodom (chast' 2) / V.T. Senyut', P.A. Vityaz', A.M. Parnitskii // Mekhanika mashin, mekhanizmov i materialov. – 2023. – № 4(65). – S. 76-84. (in Russian).Verkholomov V.K. Physical Features of the New Equation (Equation Jung - Verkholomov) of Contact Angle. / V.K. Verkholomov // Materials of the XII international research and practice conference «Science, Technology and Higher Education». – December 21-22, 2016. – Westwood, Canada. – P. 97-110.Verkholomov V.K. Physical Features of the New Equation (Equation Jung – Verkholomov) of Contact Angle. / V.K. Verkholomov // Materials of the XII international research and practice conference «Science, Technology and Higher Education». – December 21-22, 2016. – Westwood, Canada. – P. 97-110. (in Russian).Хоконов Х.Б. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение металлов и их бинарных сплавов в твердом состоянии / Х.Б. Хоконов, Т.М. Таова, Б.Б. Алчагиров // КБГУ. – 2019. – Т. IX, № 2. – С. 5-19.Khokonov KH.B. Poverkhnostnaya ehnergiya i poverkhnostnoe natyazhenie metallov i ikh binarnykh splavov v tverdom sostoyanii / KH.B. Khokonov, T.M. Taova, B.B. Alchagirov // KBGU. – 2019. – T. IX, № 2. – S. 5-19. (in Russian).Рехвиашвили С.Ш. К расчету постоянной Толмена / С.Ш. Рехвиашвили, Е.В. Киштикова, Р.Ю. Кармокова // Письма в ЖТФ. – 2007. – Т. 33, Вып. 2. – С. 1-7.Rekhviashvili S.SH. K raschetu postoyannoi Tolmena / S.SH. Rekhviashvili, E.V. Kishtikova, R.YU. Karmokova // Pis'ma v ZHTF. – 2007. – T. 33, Vyp. 2. – S. 1-7. (in Russian).Юров В.М. Исследование первичных нанотрещин атомарно-гладких металлов / В.М. Юров, В.И. Гончаренко, В.С. Олешко // Письма в ЖТФ. – 2023. – Том 49, вып. 8. – С. 35-38.Yurov V.M. Issledovanie pervichnykh nanotreshchin atomarno-gladkikh metallov / V.M. Yurov, V.I. Goncharenko, V.S. Oleshko // Pis'ma v ZHTF. – 2023. – Tom 49, vyp. 8. – S. 35-38. (in Russian).Юров В.М., Портнов В.С., Пузеева М.П. Пат. 58155 Республика Казахстан. Способ измерения поверхностного натяжения и плотности поверхностных состояний диэлектриков. опубл. 15.12.2008, Бюл. № 12.Yurov V.M., Portnov V.S., Puzeeva M.P. Pat. 58155 Respublika Kazakhstan. Sposob izmereniya poverkhnostnogo natyazheniya i plotnosti poverkhnostnykh sostoyanii diehlektrikov. opubl. 15.12.2008, Byul. № 12. (in Russian).Пат. 58158 Республика Казахстан. МПК: G01N 27/76. Способ измерения поверхностного натяжения магнитных материалов / Юров В.М., Портнов В.С., Пузеева М.П.; заявитель и патентообладатель Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова. – № G01N 27/76 (2006.01); заявл. 07.06.2006; опубл. 15.12.2008, Бюл. № 12. – 3 с.Pat. 58158 Respublika Kazakhstan. MPK: G01N 27/76. Sposob izmereniya poverkhnostnogo natyazheniya magnitnykh materialov / Yurov V.M., Portnov V.S., Puzeeva M.P.; zayavitel' i patentoobladatel' Karagandinskii gosudarstvennyi universitet im. E.A. Buketova. – № G01N 27/76 (2006.01); zayavl. 07.06.2006; opubl. 15.12.2008, Byul. № 12. – 3 s. (in Russian).Пат. 23223 Республика Казахстан. МПК G01N 27/76 (2009.01). Способ измерения поверхностного натяжения осаждаемых покрытий / Юров В.М., Гученко С.А., Ибраев Н.Х.; заявитель и патентообладатель Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова; заявл. 27.05.2009; опубл. 15.11.2010, Бюл. № 11. – 3 с.Pat. 23223 Respublika Kazakhstan. MPK G01N 27/76 (2009.01). Sposob izmereniya poverkhnostnogo natyazheniya osazhdaemykh pokrytii / Yurov V.M., Guchenko S.A., Ibraev N.KH.; zayavitel' i patentoobladatel' Karagandinskii gosudarstvennyi universitet im. E.A. Buketova; zayavl. 27.05.2009; opubl. 15.11.2010, Byul. № 11. – 3 s. (in Russian).Development of a device for determining work electron output / V.M. Yurov et al // Eurasian Physical Technical Journal. – 2020. – Vol. 17, № 1(33). – Р. 127-131.Development of a device for determining work electron output / V.M. Yurov et al // Eurasian Physical Technical Journal. – 2020. – Vol. 17, № 1(33). – R. 127-131. (in English).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.