Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
«Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов» является научным журналом, издаваемым один раз в год. В нем публикуются научные статьи как по фундаментальным, так и по прикладным проблемам физико-химии наночастицы, наносистем и нанометриалов. Журнал «Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов» регулярно издается в конце каждого календарного года, начиная с 2009 г. С одной стороны, издание является междисциплинарным. С другой стороны, в нем публикуются работы, отвечающие одному конкретному бурно развивающемуся направлению современному науки – физико-химическим основам нанотехнологии. По замыслу редколлегии, журнал отражает новые научные результаты, полученные в течение года, подводит итоги года и вносит, тем самым, вклад в формирование перспектив дальнейшего развития данного научного направления. Прежде всего, речь идет о физических и химических аспектах нанотехнологии, т.е. о наносистемах и протекающих в них явлениях, которые могут найти применения в современных наукоемких технологиях. В то же время, приветствуются и обсуждения нанотехнологических аспектов экологии, биологии и медицины. Еще одна особенность нашего ежегодного журнала – преемственность между физикой наносистем, физикой поверхностей и коллоидной химией. Наш журнал принимает оригинальные статьи, в которых представлены новые значимые научные результаты по поверхностным явлениям, науке о наносистемах и нанотехнологии. Кроме того, журнал «Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов» публикует краткие сообщения объемом до 5 страниц (включая рисунки, таблицы). Будут также рассмотрены письма к редактору, комментирующие статьи, ранее опубликованные в нашем сборнике. Могут быть представлены обзорные статьи, содержащие анализ конкретных областей науки, прямо или косвенно связанных с наночастицами и наносистемами. Степень оригинальности статей, их уровень и значимость представленных результатов будут оцениваться в процессе двойного слепого рецензирования членами редакционной коллегии и внешними независимыми рецензентами журнала.
ISSN (print): 2226-4442, ISSN (online): 2658-4360
Свидетельство о регистрации СМИ: ПИ № ФС 77 - 47789 от 13.12.2011
Учредитель: Тверской государственный университет
Главный редактор: Самсонов Владимир Михайлович, д-р физ.-мат. наук, профессор
Периодичность /доступ: 1 выпуск в год / открытый
Входит в: Белый список (3 уровень), перечень ВАК, Web of Science, РИНЦ, CAS
Текущий выпуск
№ 16 (2024)
Экспериментальные исследования наночастиц, наносистем и наноматериалов
Комплексный подход к изучению фрактальных структур на поверхности железа
Аннотация
Наноразмерные пленки железа различной толщины и на разных пространственных масштабах изучены с помощью двух альтернативных методов: атомно-силовой микроскопии и сканирующей туннельной микроскопии. Выявлено, что морфология поверхности и фрактальная размерность зависят не только от толщины пленки, но и от условий осаждения и последующей цифровой обработки. Сделан вывод о том, что поверхность имеет сильно развитый рельеф, что отвечает наличию высоких значений фрактальной размерности. Выдвинута гипотеза о том, что присутствие оксидов железа на поверхности исследуемых образцов существенно влияет на их морфологию, способствуя формированию сложного и высокоразвитого рельефа. Эти оксиды приводят к образованию структурных неоднородностей, что приводит к наблюдению на поверхности пленки агломератов с достаточно широким диапазоном значений фрактальной размерности (от 2,49 до 2,94), т.е. оксиды способствуют агрегации частиц, создавая более сложную структуру поверхности. Кроме того, метод выделения агломератов позволил фиксировать увеличение величины фрактальной размерности, что говорит об эффективности выделения и изучения отдельных сложных по структуре объектов поверхности. Таким образом, для наноразмерных пленок железа становится важным учет эффектов окисления и агломерации элементов поверхности при их анализе и выборе способа получения для выявления структур с определенным значением фрактальной размерности.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):7-23
7-23
Исследование интеркалированного калием графита методом спектроскопии комбинационного рассеяния
Аннотация
В настоящей работе методом спектроскопии комбинационного рассеяния света проведено исследование интеркалированного соединения графита с калием. Целью исследования являлось определение ступени интеркаляции и изучение влияния интеркалированных атомов на колебательные свойства решетки высокоориентированного пиролитического графита. Интеркалирование высокоориентированного пиролитического графита калием производилось с использованием двухзонного метода. Рамановские спектры были получены как для чистого, так и для интеркалированного высокоориентированного пиролитического графита. Проведенные эксперименты по идентификации синтезированных структур показали образование интеркалированного соединения графита шестой ступени. Знание ступени интеркалированного соединения графита является важным при его использовании в качестве сверхпроводящего материала, а также в суперконденсаторах. Кроме того, ступень интеркаляции является ключевым фактором при получении графена путем химического отшелушивания интеркалированного соединения графита, так как количество графеновых слоев будет напрямую зависеть от ступени интеркаляции. В полученных рамановских спектрах наблюдается эффект расщепления G -пика, показывающий изменение колебательных свойств решетки графита при его интеркаляции за счет переноса заряда (charge transfer) от интеркалята к углеродным слоям. Величина переносимого заряда определена с применением расчетов из первых принципов.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):24-32
24-32
Влияние примеси Bi на электрофизические свойства твердых растворов ниобата натрия
Аннотация
Введение легирующих примесей является классическим способом модификации свойств материалов, в частности, сложных оксидов семейства перовскита с общей формулой АВО3 . Замещаются ионы, находящиеся в позициях А и/или В . При этом валентность их может совпадать с валентностью основного иона (изовалентное замещение) или отличаться (гетеровалентное замещение). Ниобат натрия ( NaNbO3 ) является удобной основой для создания сегнетоэлектрических твердых растворов. При легировании его свойства варьируются в широком диапазоне, позволяя создавать функциональные материалы для различных приложений. В работе проведено исследование влияния примеси висмута Bi3+ при замещении иона ниобия Nb5+ на структуру и электрофизические свойства ниобата натрия. Показано, что для таких составов характерно значительное увеличение электропроводности с ростом концентрации примеси, понижение температуры Кюри и изменение зеренной структуры. Концентрация примеси более 10 мол.% приводит к формированию вторичных фаз.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):33-40
33-40
Исследование оптических свойств легированных металлами перовскитных нанокристаллов CsPbX3
Аннотация
В рамках исследовательской работы методом горячей инжекции были получены неорганические свинец-содержащие галогенидные перовскитные нанокристаллы со структурой CsPbX 3. Легирование нанокристаллов перовскитов осуществлялось растворными методами, в качестве легирующей примеси выступали ионы цинка и индия. Были исследованы спектры фотолюминесценции и спектры оптической плотности полученных коллоидных растворов. Исследования показали, что легирование перовскитных нанокристаллов ионами металлов приводит к усилению фотолюминесценции и сдвигу максимума спектра фотолюминесценции относительно эталонного состава на 4 и 12 нм для бромидов и йодидов соответственно. Также было показано, что величина сдвига не зависит от типа легирующей примеси. При этом отмечается, что в рамках данной работы легирование не приводит к изменению положения края собственного поглощения.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):41-47
41-47
Сравнительные исследования особенностей структуры кристаллов LiNbO3:Er:Zn разного генезиса
Аннотация
Методами спектроскопии инфракрасного поглощения в области валентных колебаний ОН --групп и спектроскопии комбинационного рассеяния света выполнены сравнительные исследования кристаллов двойного легирования LiNbO 3: Er : Zn разного генезиса: кристалла LiNbO 3: Er (0,53 мол.%): Zn (4,02 мол.%), полученного методом твердофазного легирования, и кристалла LiNbO 3: Er (0,75 мол.%): Zn (3,82 мол.%), полученного методом гомогенного легирования. На инфракрасных спектрах поглощения обнаружены небольшие изменения основных параметров полос поглощения с частотами 3483 и 3492 см-1, что может быть связано с большей концентрацией легирующей примеси цинка в кристалле LiNbO 3: Er (0,53 мол.%): Zn (4,02 мол.%). По изменению параметра полуширины линии с частотой 271 см-1 в спектрах комбинационного рассеяния света исследованных кристаллов установлено, что кристалл LiNbO 3: Er (0,53 мол.%): Zn (4,02 мол.%) обладает более высоким упорядочением структурных единиц катионной подрешётки, по сравнению с кристаллом LiNbO 3: Er (0,75 мол.%): Zn (3,82 мол.%).
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):48-59
48-59
Сравнительные исследования фотолюминесцентных и оптических свойств, концентрации ОН--групп в кристаллах двойного легирования LiNbO3: Er:Zn
Аннотация
Выполнен сравнительный анализ фотолюминесцентных свойств, концентрации ОН --групп и оптического качества кристаллов двойного легирования LiNbO 3: Er : Zn , полученных из шихты разного генезиса. В кристалле, полученном методом твердофазного легирования LiNbO 3: Er (0,53 мол.%): Zn (4,02 мол.%), содержание ОН --групп выше, чем в кристалле LiNbO 3: Er (0,75 мол.%): Zn (3,82 мол.%), полученном методом гомогенного легирования. Данные изменения происходят вследствие одновременного формирования в структуре кристалла LiNbO 3: Er (0,53 мол.%): Zn (4,02 мол.%) двух видов комплексных дефектов: ZnNb3-- OH и VLi - OH . Показано, что в кристалле LiNbO 3: Er (0,75 мол.%): Zn (3,82 мол.%) наблюдается девиация оптической плотности. Установлено, что фотолюминесценция в видимой области обусловлена излучательными переходами иона Er3+ без проявления собственной люминесценции матрицы в исследуемых кристаллов. Для кристалла LiNbO 3: Er : Zn , полученного методом твердофазного легирования, интенсивность люминесценции на 77% выше, чем в кристалле, полученного методом гомогенного легирования, что может быть обусловлено участием ОН --групп в передаче энергии между матрицей и ионами Er3+ .
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):60-71
60-71
Процессы переключения аланинсодержащих кристаллов триглицинсульфата
Аннотация
В работе представлены результаты экспериментального исследования диэлектрических и переключательных характеристик исходных и отожженных аланинсодержащих кристаллов группы триглицинсульфатов при комнатной температуре. Приведены результаты измерений и расчета эффективной диэлектрической проницаемости, переключаемой поляризации, коэрцитивного поля и поля смещения, коэффициента униполярности и тангенса угла диэлектрических потерь. Установлено, что для большинства образцов до и после отжига петли диэлектрического гистерезиса униполярны и смещены по оси абсцисс, что свидетельствует о преимущественной ориентации доменов и наличии полей смещения. В результате отжига величины коэрцитивного поля и коэффициента униполярности кристаллов уменьшаются, а переключаемой поляризации возрастают. Показано, что полевые зависимости эффективной диэлектрической проницаемости кристаллов до отжига имеют экстремумы, лежащие в интервале полей (5-7,5)∙104 В∙м-1, а после их отжига - (5-12)∙104 В∙м-1.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):72-84
72-84
Анализ параметров доменной структуры монокристаллов RFe11Ti (R = Y, Gd, Ho, Er) по данным магнитно-силовой микроскопии
Аннотация
Представлены результаты экспериментального исследования магнитной доменной структуры на базисной плоскости монокристаллов RFe 11 Ti ( R=Y, Gd, Ho, Er ) методом магнитно-силовой микроскопии. При комнатной температуре соединения характеризуются магнитокристаллической анизотропией типа «ось легкого намагничивания». На основе данных магнитно-силовой микроскопии определены параметры дополнительных доменов на базисной плоскости образцов. С помощью метода Боденбергера-Хуберта по данным магнитно-силовой микроскопии определены величины поверхностной плотности энергии доменных границ g для всех составов: YFe 11 Ti - 4,05 мДж/м2, GdFe 11 Ti - 5,93 мДж/м2, HoFe 11 Ti - 4,97 мДж/м2, ErFe 11 Ti - 2,98 мДж/м2. Методом подсчета кубов рассчитаны значения фрактальной размерности DL полей рассеяния доменной структуры на разной высоте от поверхности (0,1 - 9 мкм). DL на поверхности шлифов имеет значения 2,62 для соединений c R = Y, Gd, Ho и 2,72 - для R=Er . Для всех образцов DL максимальна вблизи поверхности.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):85-95
85-95
К вопросу об исследовании процессов перемагничивания одноосных магнитных материалов из анализа трансформации их доменной структуры: эксперимент и компьютерное моделирование
Аннотация
В настоящей работе представлены результаты комплексных исследований, включающих прямой эксперимент и компьютерное моделирование, процессов перемагничивания монокристаллического образца SmCo 5 и феррит-гранатовой пленки (GdBiLu) 3 (FeGa) 5 O 12. Анализ изображений доменной структуры во внешнем магнитном поле обоих образцов позволил построить полевые зависимости намагниченности. Установлено, что полевая зависимость намагниченности феррит-гранатовой пленки совпадает с данными магнитометрии. Для монокристалла SmCo 5 поле насыщения поверхности соответствует полю насыщения, полученному из данных измерений на магнитометре, однако ход полевой зависимости M(H) отличается. Анализ изображений основных доменов монокристалла SmCo 5 во внешнем магнитном поле и компьютерное моделирование показали, что значения полей исчезновения доменной структуры на поверхности пленки, расположенной над монокристаллическим образцом, значительно меньше полей насыщения по данным магнитометрии. Приложение внешнего магнитного поля 0,02 Тл приводит к насыщению всего объема феррит-гранатовой пленки в направлении поля, что не позволяет в дальнейшем наблюдать трансформацию основной доменной структуры объемного образца и ограничивает применимость метода индикаторной пленки.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):96-109
96-109
Особенности структуры и свойства сплавов системы Sn-Zn-Si-Al, полученных методом сверхбыстрой кристаллизации из расплава
Аннотация
Представлены результаты исследований микроструктуры быстрозатвердевшей фольги сплава Sn 55,18 Zn 44,50 Si 0,23 Al 0,09. Проведено исследование фазового состава быстрозатвердевшей фольги. Установлено однородное распределение легирующего кремния и алюминия в олове в виде твёрдого раствора. Выявлено формирование текстуры (100) олова и (101 0) цинка, связанное с преимущественным ростом кристаллитов, у которых плотноупакованные плоскости олова и цинка перпендикулярны направлению теплоотвода при кристаллизации. Выполнен анализ структуры и свойств фольги при изотермическом отжиге и естественном старении, с описанием протекающих процессов. Установлено формирование дисперсной структуры вследствие высокой степени переохлаждения жидкой фазы с увеличением степени дисперсности цинка при изотермическом отжиге (средняя хорда d на сечениях фаз цинка составляет 1,24 мкм до термообработки и 0,42 мкм после изотермического отжига в течение 170 мин при 150°С) наряду с неизменностью текстуры при термической обработке. Объяснено изменение микротвёрдости фольги в процессе естественного старения, выраженного образованием большого количества скоплений выделений фаз олова и цинка вследствие их пересыщения, а также армирующим действием легирующих элементов ( Si , Al ). При термической обработке цинк растворяется в матричной фазе, с уменьшением его объёма, тогда как доля разупрочняющей фазы олова увеличивается, что приводит к снижению микротвёрдости.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):110-118
110-118
Корреляция магнитных характеристик и фрактальной размерности магнитооптических изображений постоянных магнитов
Аннотация
Статья продолжает цикл исследования постоянных магнитов с разными механизмами перемагничивания (механизм зародышеобразования, механизм смещения доменных границ). В данной работе установлена корреляция между магнитными характеристиками постоянных магнитов (Y25 и AlNiCo ) и фрактальной размерностью магнитооптических изображений их полей рассеяния. В качестве индикатора использовалась висмутсодержащая феррит-гранатовая плёнка. Показано, что предельные значения фрактальной размерности: 1,76 для ферритового магнита и 1,85 для магнита AlNiCo согласуются с результатами, полученными для магнитов NdFeB (марка N35) и SmCo (марка КС37), как и поведение полевой зависимости фрактальной размерности. Поведение полевой зависимости намагниченности Mmo ( Hrev ) имеет схожие черты с аналогичной зависимостью, зарегистрированной для постоянного магнита NdFeB (марка N35), но величины размагничивающих полей у образца Y25 намного меньше. В работе обсуждается взаимосвязь механизмов перемагничивания постоянных магнитов с ходом зависимости Mmo ( Hrev ).
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):119-127
119-127
Голографический метод диагностики наночастиц в плотных наносуспензиях
Аннотация
Проанализирована эффективность записи динамических голограмм в дисперсных жидкофазных средах с высокой концентрацией наночастиц. Оптическая нелинейность среды обусловлена электрострикционными силами, действующими на частицы дисперсной фазы в градиентном световом поле. Массоперенос рассмотрен в случае надтепловых интенсивностях излучения, когда светоиндуцированное изменение концентрации наночастиц больше первоначальной и достигает насыщения. Показано, что при высоких уровнях интенсивности излучения запись динамической голограммы осуществляется в существенно нелинейном режиме, когда фазовая решетка становится несинусоидальной. При этом амплитуда первой гармоники резко возрастает с увеличением интенсивности, что позволяет добиться значительного повышения эффективности записи голограмм. Полученные результаты актуальны для динамической голографии дисперсных жидкофазных сред, а также для оптической диагностики таких сред.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):128-133
128-133
Модуляционный метод светоиндуцированной псевдо-призмы в наносуспензии
Аннотация
В данной работе предлагается модуляционный метод создания псевдо-призмы в нанодисперсной жидкофазной среде, основанный на использовании светового давления излучения. Обычно метод псевдо-призмы применяется для исследования стационарного седиментационного профиля в дисперсной среде. Для наночастиц и макроскопических размеров кюветы характерные времена установления равновесия составляют десятки часов. Даже при значительных силах светового давления, превосходящих гравитационные, характерное время установления седиментационного профиля остается очень большим. Поэтому достижения равновесного распределения требует длительного эксперимента, что предъявляет высокие требования к стабильности всех условий и практически мало реализуемо из-за наличия конвективных течений. Модуляция опорного пучка позволяет исследовать динамику псевдо-призмы на коротких временах, что значительно повышает точность метода оптической диагностики. В статье представлен теоретический анализ процесса светоиндуцированного массопереноса в дисперсной жидкофазной среде, находящейся в однородном световом поле, модулированном по времени. В результате аналитического решения задачи о светоиндуцированном массопереносе получено выражение, позволяющее определить амплитуду угла отклонения сигнального луча в псевдо-призме.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):134-139
134-139
Рентгеновские дифракционные исследования процесса роста тонких пленок высокоэнтропийного сплава TiNbZrTaHfCu in situ с использованием синхротронного излучения
Аннотация
Высокоэнтропийные сплавы на основе тугоплавких металлов, обладающие необычным сочетанием физико-механических, трибологических, электрофизических и т. д. свойств, могут быть рекомендованы для использования в различных областях промышленности и медицины. Целью работы является исследование процесса роста пленок высокоэнтропийных сплавов системы Ti-Nb-Zr-Ta-Hf-Cu в режиме реального времени методом рентгенофазового анализа с использованием синхротронного излучения. Эксперименты по нанесению многоэлементных пленок металлов проводили на установке ВЭИПС-1, разработанной в Институте сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук для исследования процессов формирования пленок и покрытий на источнике синхротронного излучения. Процесс формирования структуры тонких пленок in situ с высоким временным разрешением изучали, используя источник синхротронного излучения - накопитель электронов ВЭПП-3 (Институт ядерной физики Сибирского отделения Российской академии наук). Показано, что осаждение на подложку ВК8 плазмы состава Ti-Nb-Zr-Ta-Hf-Cu сопровождается формированием аморфно-кристаллического состояния, представленного фазами состава (предположительно) Ti-Nb-Zr-Ta-Hf-Cu , TiZr , NbZr и CuTiZr , формирующимися на различных этапах напыления пленки. Основной является фаза состава Ti-Nb-Zr-Ta-Hf-Cu .
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):140-153
140-153
Применение ионных жидкостей в исследованиях микроструктуры диэлектриков методом сканирующей электронной микроскопии
Аннотация
В настоящей статье представлены результаты исследования непроводящих биологических, кристаллических объектов, порошков, а также образцов стеклокомпозитов с помощью ионной жидкости методом сканирующей электронной микроскопии. Ионные жидкости на основе дицианамидов -алкилпиридиния, изученные в работе, получены по реакции метатезиса. В качестве проводящего покрытия для диэлектриков был использован раствор ионной жидкости в ацетоне. Установлено, что применение ионных жидкостей является альтернативой методам металлического и углеродного напыления на диэлектрические образцы. Представлены электронные изображения образцов, полученные такими методами микроскопии, как режим низкого вакуума, использование металлического напыления ( Pt ) на образцы, а также исследование образцов без проводящего покрытия. Проведен сравнительный анализ результатов, полученных традиционными методами и методом нанесения на образцы ионной жидкости. Показано, что использование электропроводящих ионных жидкостей, обладающих термической и химической стабильностью, дает возможность получать электронно-микроскопические изображения с высоким разрешением, а также позволяет визуализировать топографический и композиционный контраст исследуемых диэлектрических образцов.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):154-163
154-163
Термоэдс магниторезистивных композитов на основе La0,7Sr0,3MnO3
Аннотация
В работе проведены исследования зависимости магниторезистивности и коэффициента Зеебека композитного магниторезистивного состава вблизи порога перколяции 80% La 0,7 Sr 0,3 MnO 3/20% GeO 2, от напряженности постоянного магнитного поля до 3,8 кЭ и температуры в диапазоне от 25°C до 150°C. Образцы 80% La 0,7 Sr 0,3 MnO 3/20% GeO 2 имеют p- тип проводимости, положительный знак коэффициента Зеебека и диэлектрический характер изменения электрического сопротивления от температуры. Энергия активации таких составов около 0,35 эВ. Магниторезистивность такого состава уменьшается с увеличением разности температур горячего и холодного краев и исчезает в области температур фазового перехода 90°C. Установлено, что в постоянном внешнем магнитном поле напряженностью 3,8 кЭ наблюдается уменьшение коэффициента Зеебека составов 80% La 0,7 Sr 0,3 MnO 3/20% GeO 2 на 11% при разности температур 10 K. Зависимость коэффициента Зеебека от магнитного поля с увеличением температуры горячего края уменьшается и также исчезает в области температур 90°C, что связано с фазовым переходом ферромагнетик-парамагнетик манганита лантана La 0,7 Sr 0,3 MnO 3 и подавлением спин-зависимого туннелирования электронов.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):164-170
164-170
Особенности динамического пироэлектрического отклика и локальная доменная структура в кристаллах PZN-PT
Аннотация
В работе проведено исследование распределения поляризации по объему кристаллов (1- x )Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-x PbTiO3 направлений [001] и [111] методом динамического пироэлектрического отклика. Установлено, что величина пироэлектрического коэффициента у образцов обоих направлений одинакова. Доменная структура исследуемых кристаллов визуализирована методом силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика. Показано, что на поверхности у исходных монокристаллов указанных направлений существует мелкоразмерная от 50 до 500 нм лабиринтоподобная доменная структура, свойственная сегнетоэлектрикам-релаксорам. На глубине 50 мкм от поверхности кристаллов наблюдается более крупная доменная структура с характерным размером доменов микронного масштаба. Для определения средней толщины слоя с неоднородным распределением поляризации была использована теоретическая модель, которая аналитически описывает возможности динамического пироэлектрического метода для исследования приповерхностного слоя сегнетоэлектрических материалов. Проведенные теоретические расчеты показали, что данный метод позволяет получать точные данные о толщине слоя и его состоянии поляризации. Экспериментально установлено, что в монокристалле 0,955Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0,045PbTiO3 направления [001] вторичный пироэлектрический эффект вносит вклад в общий пироэлектрический отклик гораздо больше, чем для направления [111] из-за большой величины пьезоэлектрического коэффициента.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):171-182
171-182
Ex-situ модифицирование наноструктурированного гидроксиапатита коллоидными частицами CdS
Аннотация
В статье обсуждается возможность получения функциональных композиционных материалов, обладающих выраженными фотокаталитическими свойствами. Разработан гибридный композиционный материал на основе наноразмерного сульфида кадмия, закрепленного на матрице гидроксиапатита, полученного методом осаждения из раствора. Исходные компоненты и синтезированные образцы были аттестованы с использованием современных физико-химических методов анализа: рентгенофазовый анализ, энергодисперсионный рентгеновский анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния, сканирующая электронная микроскопия, метод Брунауэра-Эммета-Теллера. Исследованы функциональные характеристики разработанного композиционного материала Ca 10( PO 4)6( OH )2- CdS , в частности, фотокаталитическая активность под действием ультрафиолетового или видимого излучения. Эффективность использования разработанного композиционного материала в качестве фотокатализатора оценивали по скорости окисления п-дигидроксибензол (гидрохинона). На основании полученных экспериментальных данных рассчитаны значения констант скорости реакции фотокаталитического окисления гидрохинона и времени его полупревращения при различных условиях (излучение, присутствие катализатора). Доказано, что разработанный композиционный материал, представляющий собой гидроксиапатит, модифицированный коллоидными частицами CdS , обладает выраженными каталитическими свойствами и является перспективным материалом для использования в качестве фотокатализатора. На разработанный композиционный материал подана заявка на патент.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):183-197
183-197
Комплексный подход к исследованию структуры тернарного сплава CoCrMo: растровая электронная микроскопия и атомистическое моделирование
Аннотация
На примере тернарного наносплава CoCrMo проведено сравнительное исследование с применением экспериментальной методики растровой электронной микроскопии и атомистического моделирования методом молекулярной динамики. С использованием технологии селективного лазерного плавления на основе порошка ПР-КХ28М6 был изготовлен образец, для которого идентифицирован неоднородный состав поверхности относительно присутствия кобальта и хрома, т.е. были обнаружены участки, одновременно обогащенные и обедненные данными элементами, что говорит о возможности формирования различных интерметаллидов на их основе. В процессе атомистического моделирования три наночастицы тернарного наносплава CoCrMo с числом атомов 10000, 15000 и 30000 были подвергнуты последовательному циклу нагревания и охлаждения, в том числе с идентификацией фазовых переходов, отвечающих плавлению и кристаллизации соответственно. Определены соответствующие температуры начала и завершения фазового перехода. Описаны закономерности структурной и поверхностной сегрегации в тернарном наносплаве CoCrMo . Отмечено, что для наночастиц, содержащих 10000 атомов, формируется лишь оболочка из атомов кобальта без формирования ядра, в то время как для наночастиц, содержащих 15000 и 30000 атомов формировалась луковичная структура. Атомы хрома формируют или ядро наночастицы как при N =10000 или периферийную область как при N= 15000 и 30000. Атомы молибдена ведут себя индифферентно, т.е. распределены равномерно по всему объему исследуемых наночастиц.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):198-209
198-209
Адсорбция бария на поверхности GaN(0001)
Аннотация
Впервые проведен расчет адсорбции атомов бария на поверхности грани (0001) GaN методом функционала плотности. 2D -слой GaN моделировался суперъячейкой GaN (0001) 2×2 содержащих 10 бислоя GaN . Расчет электронной плотности состояния и энергии адсорбции атома Ba проводился для пяти мест адсорбции атома Ba : в ямочной позиции, в мостиковых позициях между поверхностными атомами Ga ( N ) и над поверхностным атомом Ga ( N ). Один атом Ba приходился на 4 поверхностных атомов Ga в первом бислое GaN . Наиболее предпочтительно адсорбция атома бария над поверхностным атомом N . Энергия адсорбции составляет величину: 2,96 эВ. Адсорбция атомов Ba приводит к незначительной реконструкции поверхности GaN : максимальный сдвиг слоя атомов Ga ( N ) не превышает 0,11 Å. Адсорбция Ba приводит к образованию поверхностной зоны ниже уровня Ферми.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):210-218
210-218
Пористая керамика системы ниобата калия натрия
Аннотация
В работе для изготовления пористых образцов пьезоэлектрической керамики использовался мелкодисперсный полистирол. Изготовлены образцы керамики ниобата калия натрия с концентрацией пор 10, 20, 25, 30 и 40 объемных процентов. Проведен анализ структуры и исследованы температурные и частотные зависимости диэлектрической проницаемости полученных образцов. Установлено, что присутствие полистирола в процессе спекания пьезокерамических образцов играет роль связки, которая испаряясь в процессе высокотемпературной обработки, в тоже время способствует стабилизации диэлектрических свойств керамики - в пористых образцах отсутствуют флуктуации диэлектрической проницаемости в низкочастотной области и увеличивается диапазон частот, в котором значения диэлектрической проницаемости не зависят от частоты. Выявлено, что уже 34 объемных процента пор ухудшают механическую прочность образца. Показано, что применение простой задачи теории протекания не позволяет провести оценку механической прочности пористых образцов в зависимости от концентрации пор.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):219-228
219-228
Исследование влияния спекающих добавок и условий вакуумного спекания на оптические свойства керамики LuAG:Er 1 ат.%
Аннотация
В данной работе были изготовлены керамические образцы на основе лютеций-алюминиевого граната легированного эрбием (содержанием 1 ат. %). При изготовлении керамического материала был выбран метод химического осаждения. Проведено исследование влияния двух типов спекающих добавок - MgO и CaO на микроструктуру и оптические свойства керамических образцов, полученных при температурах вакуумного спекания 1800, 1850, 1875°С. В статье подробно рассмотрено, как изменяется микроструктура и оптическое пропускание керамики со спекающими добавками MgO и CaO при различных температурах вакуумного спекания. Установлено, что оксид магния позволяет достичь более высокой оптической прозрачности керамики (около 80%), в то время как оксид кальция более эффективно способствует подавлению роста зерен. Повышение температуры спекания для образцов с MgO от 1800 до 1850°С способствовало увеличению светопропускания образцов от 10 до 80% и росту размера зерен от 1,80 до 3,03 мкм, в то время как для образцов с CaO подобного явления не наблюдалось, образцы полученные при температурах спекания 1850 и 1875°С обладали приблизительно одинаковой микроструктурой, содержащей остаточную микропористость.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):229-238
229-238
Низкочастотная импедансная спектроскопия полимеров и кристаллов с сеткой водородных связей. Квантовые коллективные возбуждения ядер в молекулах
Аннотация
В работе представлены результаты исследований температурно-частотного поведения диэлектрической проницаемости ε , проводимости σ , времени релаксации τμ , токов термодеполяризации j и пиротока γ в гидрофильных полимерах и кристаллах с сеткой водородных связей OH … O в диапазонах 0,01-107 Гц и 20-140°С. Анализ полученных данных выявил температурные аномалии ε(T) , σ(T) , τμ(T) , j(T) , и γ(T) вблизи «пороговых» точек 20, 36, 50, 65 и 85°С, где происходит разрушение кластеров воды (а при температуре выше 100°С и самой молекулы воды) и, тем самым, освобождение глубоких ловушек, изменение состава носителей заряда (Н3O+, ОН- и др.) и их траекторий в объеме. Проводится аналогия между температурным поведением ε , σ , τμ , j и γ в «пороговых» точках, имеющих характерный одиночный резонансный пик, и дипольным резонансом фотопоглощения в кластерах металлов Ag , Mg и Sm , проявляющаяся в уширении резонанса, расщеплении одиночного пика и образовании однодоменного кристалла ATGS+ Cr 3+ (0,06 масс.% Cr ). Мы также обсуждаем возможное возникновение коллективных ядерных возбуждений при облучении образца фотонами или возникновение внутреннего электрического поля смещения Edp при внезапном охлаждении или нагревании образца. Рассмотрено запутывание фотонов по поляризации.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):239-257
239-257
Магнитные свойства и процессы перемагничивания сплавов Sm-Gd-Zr-Co-Cu-Fe
Аннотация
В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований магнитных свойств и процессов перемагничивания серии сплавов Sm - Gd - Zr - Co - Cu - Fe . Исследуемые образцы были подвергнуты термическим обработкам по специальным режимам, что позволило добиться формирования определенной наноструктуры, влияющей на гистерезисные свойства материала и позволяющей достичь высококоэрцитивного состояния. По данным магнитных измерений, выполненных методом вибрационного магнитометра, построены петли гистерезиса, зависимости намагниченности насыщения, коэрцитивной силы от химического состава, определены величины температурного коэффициента изменения намагниченности в зависимости от относительного содержания Sm и Gd . Показано, что замещение части атомов самария на атомы гадолиния увеличивает роль механизма необратимого вращения вектора спонтанной намагниченности в процессе перемагничивания образцов. Применение исследуемых образцов в различных устройствах предъявляет повышенные требования к стабильности их магнитных свойств при высоких температурах. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что наибольшей коэрцитивной силой обладают соединения с содержанием гадолиния x =0,5, наилучшей температурной стабильностью обладают соединения с концентрацией гадолиния в диапазоне х =0,5-0,6.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):258-266
258-266
Исследование магнитных свойств нанокомпозита Co-Fe
Аннотация
В данной работе проведен сравнительный анализ характеристик, преимуществ и недостатков пяти различных типов магниторезистивной оперативной памяти. Так же проведена работа по подбору оптимальной математической модели для исследования состава и структуры материалов для устройств спинтроники. Представлен обзор комбинированной математической модели, состоящей из метода молекулярной динамики и модели спиновой динамики частиц с потенциалом межатомного взаимодействия основанном на модифицированном методе погруженного атома. Так же в работе показан анализ моделирования магнитных свойств двухслойной пленки из кобальта и железа в условиях равномерного внешнего магнитного поля. Слой железа характеризовался образованием скирмионов, а в нанопленках кобальта были обнаружены области с различными магнитными доменами. Было обнаружено, что общая намагниченность системы Co-Fe низкая из-за отсутствия приоритетного направления магнитного момента. Была произведено сравнение нормы намагниченности отдельно кобальта, железа разной толщины и системы Co-Fe в целом.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):267-276
267-276
Особенности дефектной структуры кристаллов LiNbO3:Cu и их проявление в спектре ИК-поглощения в области валентных колебаний атомов водорода ОН- -групп
Аннотация
Методом спектроскопии ИК-поглощения в области валентных колебаний ОН --групп исследованы кристаллы LiNbO 3: Cu (0,005 мас.%), LiNbO 3: Cu (0,015 мас.%), LiNbO 3: Cu (0,022 мас.%), LiNbO 3: Cu (0,042 мас.%), LiNbO 3: Cu (0,46 мас.%), выращенные методом Чохральского по технологии прямого легирования шихты конгруэнтного состава. Обнаружено, что регистрируемые полосы поглощения в инфракрасном спектре в диапазоне частот 3469-3490 см-1 связанны c отклонением состава кристалла LiNbO 3: Cu от стехиометрического, вследствие дефицита катионов Li + в его структуре. Вхождение легирующей примеси Cu 2+ приводит к разупорядочению катионной подрешетки и заметной деформации кислородных октаэдров, за счет увеличением длин связи О - О . При этом в ИК-спектре регистрируется новая полоса поглощения с частотой 3487 см-1, соответствующая комплексному дефекту VLi-ОН . Расчет объемной концентрации ОН--групп показал наибольшее значение для кристаллов LiNbO 3: Cu (0,005 мас.%), LiNbO 3: Cu (0,015 мас.%) LiNbO 3: Cu (0,022 мас.%). Данные изменения происходят вследствие одновременного формирования в структуре кристалла двух видов комплексных дефектов: CuLi+-ОН-CuNb3- и VLi-ОН . Изменение механизма вхождения легирующей примеси в структуру кристалла LiNbO 3: Cu (0,042 мас.%) приводит к уменьшению концентрации ОН --групп.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):277-288
277-288
Эффект каналирования электронов в кристаллической решетке лучистых сферолитов
Аннотация
В работе приводятся результаты исследования микроструктуры сферолитовых островков в тонких пленках цирконата-титаната свинца, отличающиеся либо неоднородным радиальным разворотом кристаллической решетки (радиально-лучистая микроструктура), либо однородным разворотом, позволяющим регистрировать Кикучи-линии электронного каналирования. Тонкие пленки цирконата-титаната свинца были получены двухстадийным методом высокочастотного магнетронного распыления керамической мишени: осаждением на «холодную» платинированную подложку кремния (ситалла) с последующим высокотемпературным отжигом для получения островков перовскитовой фазы, окруженной матрицей низкотемпературной фазы пирохлора. Для исследования поперечного среза была приготовлена ламель, исследование микроструктуры которой показало, что разворот кристаллической решетки в перовскитовом сферолите происходит равномерно по всей толщине, а не является проявлением приповерхностных эффектов. Было выявлено, что скорость разворота кристаллической решетки в сферолитах с радиально-лучистой структурой приблизительно в два раза меньше, чем в сферолитах с радиально-однородным разворотом; предложена модель поступательного разворота кристаллической решетки с образованием дислокаций и частичной релаксации механических напряжений; предположено, что скорость разворота решетки ограничивается пределом упругости материала тонкой пленки. Показано, что Кикучи изображения в сферолитовых островках, состоящих из кристаллических зерен, формируются при однородной ростовой текстуре и ориентационной корреляцией зерен в плоскости пленки. Проведен анализ и расшифровка Кикучи-линий электронного каналирования, что позволяет определять ориентацию плоскостей кристаллической решетки и ростовых осей в тонких пленках.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):289-300
289-300
Кластеры в структуре нестехиометрических кристаллов ниобата лития
Аннотация
Обсуждаются основные причины появления в спектрах комбинационного рассеяния света кристаллов ниобата лития «лишней» линии с частотой 737 см-1: наличие кластеров (микроструктур), строение которых отличается от строения кристаллической матрицы; наличие микровключений примесных фаз других ниобатов лития ( LiNb 3 O 8 and Li 3 NbO 4); сильный ангармонизм некоторых фундаментальных колебаний спектра комбинационного рассеяния света, приводящий к появлению «лишних» линий. Показано, что появление линии с частотой 737 см-1 в спектре комбинационного рассеяния света нельзя однозначно связать с существованием в структуре легированных кристаллов областей с пониженной симметрией, появляющихся в результате неравномерного вхождения примеси в кристалл, а также с проявлением фоторефрактивного эффекта. Результаты исследования особенностей дефектной структуры, величины стехиометрии, оптической однородности и фоторефрактивного эффекта подтверждают связь линии с частотой 737 см-1 с наличием дефектов NbLi в структуре кристалла ниобата лития.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):301-306
301-306
Магниторезистивность композитов LSMO/(Cu2O, Ag)
Аннотация
Синтезированы и исследованы электрические, структурные и магниторезистивные свойства керамических композитов с различным массовым соотношением компонентов: ( Cu 2 O + CuO ) x /( La 0,7 Sr 0,3 MnO 3)1-x , ( x = 0,17; 0,22; 0,33; 0,43; 0,48; 0,53; 0,58; 0,63; 0,68; 0,72; 0,77; 0,82; 0,86; 0,91; 0,99), а также Agy /( La 0,7 Sr 0,3 MnO 3)1-y , ( y = 0; 0,02; 0,06; 0,08; 0,10; 0,12; 0,25; 0,50). Синтез композитов с оксидами меди проведен по оригинальной технологии приготовления образцов с использованием дисперсной меди и заранее приготовленного ферромагнитного оксида со структурой перовскита манганита La 0,7 Sr 0,3 MnO 3 с отжигом при 1000-1050°C. Прессованные смеси с содержанием меди менее 45% массовых отжигались при температуре 1050°C. При более высоких содержаниях меди отжиг выполнен при 1000°C. Составы с наночастицами серебра приготовлены методом восстановления из нитрата серебра. Показано, что в синтезированных композитных составах с массовым соотношением компонентов ( Cu 2 O + CuO )0,43/( La 0,7 Sr 0,3 MnO 3)0,57 наблюдаются наивысшие значения магниторезистивности порядка 7% в постоянном магнитном поле 14 кЭ при комнатной температуре. При этом максимум магниторезистивности коррелирует с особой областью изменения зависимости электрического сопротивления от соотношения компонентов в этих составах. В составе Ag 0,08/( LSMO )0,92 значения магниторезистивности достигают 5,5%.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):307-317
307-317
Теория наносистем
Межфазная энергия кристаллов алюминия на границе с неполярными органическими жидкостями
Аннотация
Понимание энергетических характеристик на границе металл-органическое вещество имеет большое значение для разработки техники и технологий в различных отраслях промышленного производства. В этой связи наблюдается большой интерес к изучению процессов, протекающих на данной границе раздела. Особо стоит выделить бурный рост работ по исследованию свойств металл-органических каркасных структур, что связано с возможностью синтезировать данные структуры с необходимыми свойствами, благодаря варьированию длины органической молекулы, соединяющей атомы металлов или их оксидов, а также подбору элементного состава. В данной работе получены значения межфазной энергии на границах граней кристалла алюминия с органическими жидкостями в рамках электронно-статистического метода с учетом поляризации металлических ионов и молекул органической жидкости, а также дисперсионного взаимодействия ячеек Вигнера-Зейтца на поверхности раздела. Получена зависимость межфазной энергии и поправок к межфазной энергии от диэлектрической проницаемости жидкости и ориентации металлического кристалла. Установлено, что дисперсионная поправка вносит положительный вклад, а поляризационная - снижает межфазную энергию.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):318-326
318-326
Проблемы количественной оценки площади контакта пар трения
Аннотация
Приводятся результаты исследования поверхности стальных дисков до и после трения. Рассматриваются проблемы оценки площади контакта пар трения и приводятся результаты поиска универсального критерия количественной оценки поверхности изучаемых пар трения. С использованием оптической и сканирующей туннельной микроскопии проводится изучение рельефа поверхности на микро- и наноуровне. В работе предложен подход к определению площади контакта между телами на основе теории фракталов. Такой подход позволяет описывать теплопередачу между телами (кондуктивный теплообмен на контакте и лучистый в порах) определить зависимость силы трения от приложенной внешней силы. Предлагаемая методика количественной оценки структуры поверхности на микро- и наноуровне с помощью теории фракталов позволит повысить точность расчёта тепловых режимов космических аппаратов, а также параметров узлов трения в них, что, в свою очередь положительно скажется на надёжности и долговечности разрабатываемых космических аппаратов. Дальнейшим продолжением работы станет совершенствование методов и средств изучения трибологических свойств робототехнических изделий, работающих в условиях факторов космического пространства, а также валидация численного моделирования трения и теплообмена между подвижными узлами по результатам экспериментов.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):327-336
327-336
Расчет спектра полупроводника арсенида галлия с треугольной потенциальной функцией методом степенных рядов
Аннотация
В работе исследованы квантовые характеристики широко используемого полупроводника арсенида галлия в современной перспективной области микроэлектроники. Для уровней энергии в треугольной потенциальной яме получены аналитические выражения с применением нулей функции Эйри. Кроме того, методом степенных рядов решено соответствующее уравнение Шрёдингера с этой потенциальной функцией и вычислены, как энергетический спектр нижних уровней, так и соответствующие волновые функции. Обнаружено удовлетворительное согласие значений энергетических уровней, полученных в обоих подходах, но отмечена перспективность расчетов квантовых характеристик непосредственно по уравнению Шрёдингера. Решение уравнения Шрёдингера ищется в виде линейной комбинации двух линейно независимых решений в виде степенных рядов. Коэффициенты этой линейной комбинации зависят от полной энергии как параметра. Учет граничных условий на границе отрезка интегрирования приводят к линейной алгебраической системе уравнений для этих коэффициентов. Нетривиальные решения этой системы определяют, как спектр энергий, так и соответствующие волновые функции. Из-за резкой зависимости уровней энергии от вида волновых функций необходим тщательный выбор граничных точек, а также числа членов в рядах волновых функций. Оптимальные значения указанных подгоночных параметров позволяют получить значения уровней энергии с высокой желаемой точностью.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):337-342
337-342
Вариационный квантовый алгоритм для малоразмерных систем в базисе Паули
Аннотация
В последнее десятилетие вариационные квантовые алгоритмы реализованы на современных квантовых вычислителях и успешно решают практические задачи оптимизации, квантовой химии и машинного обучения. В работе предложен новый вариационный квантовый алгоритм по схеме Монте-Карло, использующий случайный выбор генераторов унитарного преобразования с оптимизацией целевого функционала посредством алгоритма отжига или Метрополиса-Гастингса. Состояния квантовой системы в форме оператора плотности и ее модельный гамильтониан представлены разложениями в базисе Паули. В алгоритме зависимость состояния системы от варьируемых параметров заменена случайным выбором генератора Паули, определяющего унитарное преобразование состояния. Эффективность алгоритма отжига непосредственно связана с равновероятным выбором перехода от одного состояния к другому, поэтому в работе используется компромисный вариант равномерного распределения выборки операторов из группы SU (2) n - прямого произведения групп SU (2), где n - число кубитов в системе. Случайный выбор однокубитного оператора по мере Хаара на SU (2) выполняется в координатах Хопфа на многообразии группы (трехмерной сфере). Результаты тестирования алгоритма показывают, что он может быть эффективен для малоразмерных систем.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):343-350
343-350
Моделирование распространения излучения в фотонной интегральной схеме на основе полимерного волновода и наночастиц фазоизменяемого материала
Аннотация
В работе представлены результаты численного моделирования распространения оптического излучения в волноводе из полимера SU-8 и модуляции сигнала при разном фазовом состоянии массива наночастиц фазоизменяемого материала Ge2Sb2Te5 ( GST ). Показано, как модулируется проходящее излучение для разного количества наночастиц при расположении сверху и на торце волновода. Результаты моделирования показывают, что помимо влияния фазовых состояний (кристаллического и амфорного) на свойства проходящего излучения, в случае наночастиц заметную роль играют не только отражение и поглощение, но и рассеяние материала. При увеличении расстояния между наночастицами наблюдается сильное увеличение потерь в волноводе, вызванное ростом рассеяния (потери высокие для обоих фазовых состояний). Продемонстрирована принципиальная возможность управления проходящим через интерфейс оптическим сигналом телекоммуникационного диапазона через переключение оптически-активного элемента на основе наночастиц фазоизменяемого материала. Предложенная в работе концепция создания фотонных интегральных схем является самой дешевой из всех известных планарных технологий создания волноводных устройств и позволяет реализовать вычислительные элементы и архитектуры на их основе с высокой степенью гетерогенной интеграции.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):351-360
351-360
Размерный эффект в четырехкомпонентных наночастицах Au-Cu-Pd-Pt и их стабильность
Аннотация
Исследованы четырехкомпонентные наносистемы Au-Cu-Pd-Pt различного размера стехиометрического состава Au 3 CuPd 12 Pt 4. В качестве метода моделирования использовался метод молекулярной динамики, межатомное взаимодействие описывалось потенциалом сильной связи. По результатам серий компьютерных экспериментов было установлено, что четырехкомпонентные наночастицы Au-Cu-Pd-Pt не имеют склонности к формированию структуры ядро-оболочка, даже при том, что атомы золота имеют повышенную сегрегацию к поверхности. Определены температуры плавления и кристаллизации для исследуемых наночастиц Au-Cu-Pd-Pt . Установлена зависимость температуры кристаллизации от скорости охлаждения. При увеличении скорости охлаждения температура кристаллизации снижается, а температурный интервал, в котором происходит кристаллизация увеличивается, при этом скорость нагревания на температуру плавления существенным образом не влияет. Показано, что размерный эффект и эффект скорости изменения температуры позволяет управлять доминирующим присутствием ГЦК или ГПУ локальной структуры, а также влияет на температурную стабильность получаемых кристаллических фаз.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):361-372
361-372
Расчёт изобар уравнения состояния диоксида углерода и метана в интервале давлений от 2 до 20 МПа
Аннотация
В работе представлен расчёт изобар уравнения состояния диоксида углерода и метана в диапазоне давлений от 2 до 20 МПа при помощи фрактального уравнения состояния и программного модуля Fract EOS. Ранее было показано, что для диоксида углерода температурная зависимость подгоночного параметра α отсутствует. Для метана выяснено, что температурная зависимость не значительна и ослабевает при приближении к 1000 K. Это позволило для данных веществ аппроксимировать зависимость α от плотности полиномом и использовать его в расчётах при любых температурах. Далее, для того чтобы применить предлагаемую модель для расчёта изобар данных веществ, было рассчитано множество изотерм с небольшим шагом температуры. Затем, на каждой изотерме выбрана точка с необходимым давлением. Полученные результаты показывают хорошее согласие с экспериментальными данными. Предложенное уравнение состояния подходит для исследования важных для промышленности веществ, таких как диоксид углерода и метан.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):373-380
373-380
Геометрическое предпочтительное присоединение с добавлением ребер, основанном на выборе вершины
Аннотация
Мы изучаем асимптотическое поведение максимальной степени вершины в геометрической модели графа с шагом добавления ребра на основе выбора вершины. Геометрические графы являются естественными моделями, которые описывают наномасштабные системы, в то время как предпочтительное присоединение обеспечивает хорошее описание сложных сетей, в частности, различных нейронных сетей. Модель представляет собой рекурсивно построенную последовательность графов. Мы начинаем с исходного графа на одной вершине и на каждом шаге добавляем новую вершину и проводим несколько ребер. Каждой вершине соответствует параметр, характеризующий ее местоположение. Шаг рекурсии состоит из двух частей. Сначала мы вводим новую вершину и проводим ребра от нее до достаточно близких вершин. Затем мы проводим ребро между вершинами с помощью предпочтительного присоединения с выбором. В работе доказывается, что в зависимости от параметров модели максимальная степень может демонстрировать сублинейное (аналогично стандартному предпочтительному присоединению) и линейное (что представляет эффект концентрации) поведение.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):381-386
381-386
Сегрегация компонентов как необходимое условие эвтектической природы сплава и наносплава
Аннотация
На основе результатов молекулярно-динамических экспериментов, полученных с использованием программы LAMMPS и метода погруженного атома, построены и проанализированы фазовые диаграммы для бинарных наносплавов Ag-Cu и Cu-Ni (бинарных наночастиц, содержащих 2000 и 5000 атомов). В качестве линии ликвидуса рассматривалась концентрационная зависимость температуры плавления наночастиц. Установлено, что для наносплава Ag-Cu фазовая диаграмма соответствует простой эвтектике, а для наночастиц Cu-Ni - фазовой диаграмме сплава с неограниченной взаимной растворимостью компонентов, что согласуется с фазовыми диаграммами для соответствующих объемных сплавов. Установлено, что эвтектическая температура уменьшается с уменьшением размера наночастиц, а значение мольной доли Cu , отвечающее эвтектической точке и равное 0,4, совпадает со значением для объемного сплава. Выдвинута гипотеза о взаимосвязи между поверхностной сегрегацией одного из компонентов бинарного сплава и наносплава с эвтектическим типом фазовой диаграммы. Сделан вывод о том, что эффект поверхностной сегрегации является необходимым условием эвтектического поведения, но не является достаточным условием.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):387-398
387-398
К проблеме апробации параметров потенциала сильной связи: влияние соотношения между парным и многочастичным взаимодействиями на процесс структурообразования в бинарных наночастицах Pd-Pt
Аннотация
Достоверность атомистического моделирования определяется корректностью постановки задачи, включая выбор потенциала межатомного взаимодействия и его параметризации. В данной статье проведена детальная апробация параметров потенциала сильной связи в части исследования влияния соотношения между парным и многочастичным взаимодействиями на процесс структурообразования в бинарных наночастицах Pd-Pt . Были выбраны три параметризации потенциала сильной связи для перекрестных параметров: набор (I) отвечал использованию правила Лоренца-Бертло, наборы (II) и (III) задавали законы масштабирования параметров парного взаимодействия и параметров многочастичного взаимодействия соответственно. Для наборов (I) и (III) установлена поверхностная сегрегация атомов палладия, в то время как использование набора (II) приводит к формированию Янус-структуры. Кроме того, установлены различия в формировании локальной структуры в бинарных наночастицах Pd-Pt . Набор (III) предсказывает доминирование локальной ОЦК структуры. Также были рассчитаны радиальные распределения локальной плотности атомов Pd и Pt в наночастице Pd-Pt при конечной температуре 300 К.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):399-408
399-408
Модельные предпосылки для вывода адсорбционного уравнения Дубинина-Радушкевича
Аннотация
К настоящему времени предложено большое количество различных уравнений адсорбции и абсорбции, описывающие самые различные ситуации равновесий на однородных и неоднородных поверхностях адсорбентов, полимерах, микро-, мезо- и макропористых адсорбентах. Однако, наибольшую ценность представляют те работы, в которых предпринимаются попытки построить общую теорию адсорбции (и абсорбции). Из такого общего уравнения должны в качестве частных случаев следовать, по крайней мере, известные классические адсорбционные уравнения. Так, в работе [1] такое уравнение было предложено и показано, что из него в качестве частных случаев следуют классические уравнения Генри, Лэнгмюра, Брунауэра - Эмметта - Теллера с константами, имеющими ясный физический смысл. Так, константа в уравнении Генри определяется температурой, удельной поверхностью адсорбента, размером молекул адсорбата, молярной массой адсорбата и изостерической теплотой адсорбции (энергией взаимодействия молекул адсорбата с поверхностью адсорбента). В выведенном частном уравнении Брунауэра - Эмметта - Теллера, в отличие от классического варианта, впервые указана ясная зависимость константы уравнения от конкретных физических характеристик адсорбционной системы. Она определяется концентрацией молекул адсорбата в жидкой фазе при рассматриваемой температуре, концентрацией молекул адсорбата при образовании плотного монослоя на поверхности адсорбента, энергией взаимодействия молекул адсорбата с поверхностью адсорбента и теплотой конденсации. Представленный в этой работе подход может служить основой для моделирования самых различных адсорбционных и абсорбционных явлений, включая адсорбцию на микропористых адсорбентах. В адсорбционной науке получило широкое практическое применение адсорбционное уравнение Дубинина-Радушкевича, являющееся эмпирическим. В настоящей работе на основе [1] проведен термодинамический анализ уравнения Дубинина-Радушкевича и выявлены модельные предпосылки для теоретического выводы этого уравнения в широком диапазоне температур (до критической температуры Tcrit ).
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):409-418
409-418
Уравнение межфазного адсорбционного равновесия
Аннотация
Несмотря на интенсивное развитие адсорбционной науки, в ней, все-таки, остается достаточно много нерешенных вопросов. В этой связи можно выделить, по крайней мере, один из них. Еще в 1927 году [1] было установлено, что при адсорбции газов и паров твердые тела изменяют свои размеры. Однако, развитию исследований в этом направлении долгое время мешали отсутствие теоретических представлений и большие экспериментально-методические трудности. Между тем изучение деформации твердых тел при адсорбции имеет большое значение как для развития термодинамики адсорбции, так и для практических целей. В учении об адсорбции широко распространен метод описания адсорбционного равновесия, при котором роль твердого тела сводится только к созданию адсорбционного силового поля, в котором находится адсорбат. Сам адсорбент при этом считается термодинамически инертным. Очевидно, что анализ двухкомпонентной системы заменяют рассмотрением только одного компонента - адсорбата. Однако, сам факт существования деформации твердого тела при адсорбции непосредственно указывает на недостаточную строгость описания адсорбционного равновесия на языке представлений об однокомпонентной системе как это принималось при выводе, например, классических уравнений Генри, Лэнгмюра или БЭТ (Брунауэра - Эмметта - Теллера). Поэтому наибольшую ценность представляют те работы, в которых предпринимаются попытки построить общую теорию адсорбции (и абсорбции), включая явления на деформирующихся адсорбентах (абсорбентах). Из такого общего уравнения должны в качестве частных случаев следовать, по крайней мере, известные классические адсорбционные уравнения. В работе [2] такое уравнение было предложено и показано, что из него в качестве частных случаев следуют классические уравнения Генри, Лэнгмюра, БЭТ с константами, имеющими ясный физический смысл. Так, константа в уравнении Генри определяется температурой, удельной поверхностью адсорбента, размером молекул адсорбата, молярной массой адсорбата и изостерической теплотой адсорбции (энергией взаимодействия молекул адсорбата с поверхностью адсорбента). В выведенном частном уравнении БЭТ, в отличие от классического варианта, впервые указана ясная зависимость константы уравнения от конкретных физических характеристик адсорбционной системы. Она определяется концентрацией молекул адсорбата в жидкой фазе при рассматриваемой температуре, концентрацией молекул адсорбата при образовании плотного монослоя на поверхности адсорбента, энергией взаимодействия молекул адсорбата с поверхностью адсорбента и теплотой конденсации. Представленный в этой работе подход может служить основой для моделирования самых различных адсорбционных и абсорбционных явлений, включая адсорбцию на микропористых адсорбентах и деформирующихся телах. Настоящая работа продолжает проведенные исследования. В ней показано, что частными случаями уравнения, представленного в [2], являются известные классические уравнения Фаулера-Гуггенгейма и Темкина.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):419-426
419-426
К вопросу о плавлении мезопористых материалов
Аннотация
В настоящей работе рассмотрена зависимость температуры плавления мезопористого материала от геометрических характеристик (объема и формы) распределенных в материале пор. Геометрические особенности пор задавались в рамках фрактально-геометрического подхода величинами их эффективного диаметра и фрактальной размерности. Полученные оценки свидетельствуют о том, что хорошо известный для наноразмерных частиц эффект, связанный с существенной зависимостью температуры плавления от размера и формы частицы, может также реализовываться в мезопористых (с характерным размером пор от 5 до 50 нм) материалах, при этом сами рассматриваемые мезопористые объекты могут иметь макроскопические размеры. На примере чистого мезопористого свинца показано, что уменьшение объема пор и «усложнение» их формы приводят к заметному снижению температуры плавления материала. Результаты получены в рамках когезионной модели, для наночастиц свинца верифицированной экспериментально.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):427-436
427-436
Особенности фазовых равновесий «жидкость - твердое тело» в наночастицах системы Six-Ge1-x при различном взаимном расположении фаз
Аннотация
Использование объемных нанокристаллических материалов, полученных с использованием твердо- и жидкофазных технологий порошковой металлургии, является одним их основных подходов к созданию высокоэффективных и коммерчески доступных термоэлектрических преобразователей энергии. Одним из наиболее эффективных термоэлектрических материалов в области высоких температур являются наноструктурованные сплавы системы Six - Ge 1-x . В рамках термодинамического подхода смоделированы особенности равновесного фазового состава наночастиц Six - Ge 1-x с различной долей Si со структурой core-shell между температурами ликвидуса и солидуса. Показано, что температурные зависимости равновесного состава сосуществующих твердой и жидкой фаз в области гетерогенности существенно зависят от взаимного расположения этих фаз в core-shell-структуре. Результаты дополнены рассмотрением эффекта исходного состава, состоящего в зависимости не только объемной доли сосуществующих фаз, но и их состава, от доли Si в исходной частице. Продемонстрирован «гистерезисный эффект». Представлена термодинамическая интерпретация полученных результатов на основе трех механизмов понижения свободной энергии системы.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):437-447
437-447
Первопринципное и атомистическое моделирование
Квантово-химический расчёт соединения магния(II) с триптофаном: синтез, строение, свойства
Аннотация
Выполнен синтез соединения магния с триптофаном. Определено соотношение магния и аминокислоты в полученном соединении комплексонометрическим титрованием и формольным титрованием по методу Серенсена. Приведены инфракрасные спектры синтезированного соединения, измеренного в диапазоне 500-4000 см-1. Соединение анализировали методом рентгенофлуоресцентного анализа. Для полученных соединений рассчитаны объём и параметры элементарной ячейки методом дихотомии, межплоскостные расстояния, средний размер частиц по методу Селякова - Шеррера, индексы Миллера. Построены модель соединения триптофаната магния используя квантово-химические методы: Хартри-Фока и функционала плотности ( B3LYP ) в базисе 6-31 G ( d , p ). Минимизирована энергия, рассчитаны частоты нормальных колебаний инфракрасного спектра модели исследуемого соединения. Проанализированы расчетные и экспериментальные инфракрасные спектры исследуемого соединения. Полученные данные вносят вклад в развитие науки о комплексных соединениях, совершенствование методов синтеза соединений заданного состава. Возможность дальнейшего использовать подобные соединения в качестве лекарственных препаратов.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):448-456
448-456
Определение размерной границы устойчивости ГЦК фазы наночастиц серебра
Аннотация
Основной задачей проведенного исследования являлось нахождение размерной границы, при которой нанокластеры серебра, обладающие различной начальной морфологией, самопроизвольно изменяют свое строение на ГЦК структуру, характерную для объемного материала. Для этого в работе были изучены данные высокоразрешающей электронной микроскопии исходных и отожженных наночастиц серебра, сформированных на углеродной подложке вакуумно-термическим испарением. Установлено, что в результате отжига число малых наночастиц ( D <3,5 нм) уменьшается приблизительно в 2 раза, а доля наночастиц с икосаэдрической и декаэдрической огранками растет примерно в 1,5 раза. Для оценки полученных результатов методом молекулярной динамики на основе модифицированного потенциала сильной связи было произведено дополнительное исследование границ устойчивости структурных модификаций нанокластеров серебра аналогичных диаметров ( D= 2-10 нм) с целью определения размерной границы возможного термически индуцированного структурного перехода от исходной аморфной морфологии к ГЦК фазе. Полученные данные сравнивались с результатами для наночастиц Ag с начальным ГЦК строением. Было показано, что размерной границе, при которой нанокластеры изменяли начальное аморфное строение на ГЦК структуру, соответствует диаметр частиц 8-10 нм.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):457-467
457-467
Икосаэдрические металлические нанокластеры: низкотемпературные структуры или структуры, предшествующие плавлению?
Аннотация
Плавление ГЦК нанокластеров Ag , Au , Cu , Ni , Pd и Pt , т.е. кубооктаэдрических наночастиц, содержащих 561 атом, и предшествующий плавлению переход в икосаэдрические изомеры моделировались с использованием изотермической молекулярной динамики. Моделирование процесса нагрева было выполнено в NVT -ансамбле с помощью известной открытой программы LAMMPS с использованием алгоритма скоростей Верле и термостата Нозе-Гувера. Межатомные взаимодействия в металлических наночастицах были воспроизведены с помощью метода погружённого атома. При сравнительно малой для молекулярно-динамических экспериментов скорости нагрева наночастиц, равной 0,15 К/пс, переход кубоктаэдр → икосаэдр наблюдался в наночастицах с гранецентрированной решеткой всех указанных выше металлов, кроме наночастиц Ag . Однако увеличение скорости нагрева до 1,5 К/пс привело к тому, что переход кубоктаэдр → икосаэдр стал наблюдаться и в нанокластерах Ag . В отличие от наночастиц других металлов, переход кубоктаэдр → икосаэдр в нанокластерах Pt с гранецентрированной решеткой происходит при очень низкой температуре, близкой к начальной температуре, предшествующей нагреву частиц и равной 10 К. Напротив, в частицах Ni переход кубоктаэдр → икосаэдр наблюдался при температуре, наиболее близкой к температуре плавления.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):468-480
468-480
Изучение взаимодействия олигомерных цепей полиакрилонитрила с углеродными наполнителями
Аннотация
В рамках полноатомного молекулярно-механического моделирования с использованием двух валентно-силовых полей: полимерного согласованного силового поля и открытой части оптимизированных молекулярных потенциалов конденсированной фазы для атомистического моделирования исследована зависимость энергии адгезии олигомерных цепей полиакрилонитрила к поверхности углеродных наночастиц, таких как нанотрубки и графен. В качестве основных параметров для расчетов выбраны: длина олигомерной цепи полиакрилонитрила, количество слоев в наночастице графена, диаметр углеродной нанотрубки, а также тип и плотность молекул модификатора на поверхности графена. Графен рассматривался как предельный случай - углеродной нанотрубки большого диаметра. В качестве модификаторов поверхности выбраны N-(2-аминоэтил)карбамоил, нитроциклогексан, бензамид и динитробифенил. Показано, что с увеличением числа слоев и диаметра углеродной нанотрубки энергия адгезии полиакрилонитрила возрастает, что позволяет рассматривать многослойные углеродные нанотрубки больших диаметров в качестве предпочтительного наполнителя для полиакрилонитрила. Полученные результаты также показывают, что поверхностный модификатор может увеличить энергию адгезии полиакрилонитрила в случае малых значений плотности прививки модификатора.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):481-492
481-492
Взаимосвязь строение-свойство для фторалканов
Аннотация
Методом G4 рассчитаны энтальпии образования (ΔHf0) для молекул CH3-(CH2)n-CH2F, где 3 ≤ n ≤ 5, CH3-(CH2)n-CHF2, где 3 ≤ n ≤ 4, CH2F-(CH2)3-CH2F, CHF2-(CH2)3-CHF2, CF3-(CH2)3-CHF2, CF3-(CH2)3-CF3, CHF2-(CH2)3-CH2F, CF3-(CH2)3-CH2F, фторзамещенных изобутана C4HmFk, где 0 ≤ m ≤ 9, k =10-m и неопентана C5HmFk, где 0 ≤ m ≤ 11, k = 12-m. Вместе с ранее вычисленными значениями ΔHf0 для молекул фторэтанов, фторбутанов и фторпропанов они образовали обучающее множество из 180 величин. Предложена схема вычисления энтальпии образования молекул М: ΔHf0(M)add = åΔHf0(R) + a∙ΔHf0(F-F)1,2 + b∙ΔHf0(F-F)1,3 + c∙ΔHf0(F-F)1,4, где ΔHf0(R) - вклады в энтальпию групп R (R = СH3, CH2, CH, С, CH2F, CHF2, CF3, CHF, CF2, CF), ΔHf0(F-F)1,2, ΔHf0(F-F)1,3, ΔHf0(F-F)1,4 - вклады взаимодействия двух атомов фтора, связанных с атомами углерода через одну, две и три связи С-С соответственно, а a, b, c - количество фтор-фтор взаимодействий через одну, две и три связи С-С соответственно. Найдены величины всех вкладов. Сравнением показана значительно большая эффективность предложенной схемы по сравнению с простым аддитивно-групповым подходом.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):493-500
493-500
Адсорбция Au на W(100): расчет
Аннотация
Методом функционала плотности проведен расчет адсорбции атомов золота на поверхности грани (100) вольфрама. В качестве подложки вольфрама была использовался 2 D -слой атомов W . 2 D -слой W моделировался суперъячейкой W (100) 2×2×2. Расчет проводился для трех мест адсорбции атома Au на поверхности W (100): в ямочной позиции, в мостиковой позиции между поверхностными атомами W и над поверхностным атомом W . Один атом Au приходился на 8 поверхностных атомов W . Наиболее предпочтительно адсорбция атома Au в мостиковой позиции. Энергия адсорбции равна 4,18 эВ. Адсорбция атомов Au приводит к следующей реконструкции поверхности W : сдвиг атомов W в плоскости поверхности не превышает 0,18 Å, а сдвиг верхнего слоя атомов W составляет величину 0,022 Å в сторону объема W . Валентная зона 2D-слоя W (100) сформирована в основном W 5 d электронами, с незначительным вкладом W 6 s электронов. Адсорбция золота приводит к изменению спектра валентной зоны поверхностного слоя W .
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):501-509
501-509
Расчет электронного спектра поглощения нанокластера (TiO2)15, допированного атомом азота
Аннотация
На начальной стадии формирования наночастиц диоксида титана образуются кластеры ( TiO 2) n , которые благодаря своим уникальным электронным структурам могут иметь повышенную реакционную способность в сравнении с наночастицами больших размеров. Методами теории функционала плотности выполнен квантово-химический расчет равновесной геометрии кластеров ( TiO 2)15 и Ti 15 O 29 N 1 рутильной модификации. С помощью нестационарной теории функционала плотности в приближении TD DFT/B3LYP/6-31G(d) рассчитаны электронные спектры поглощения кластеров в вакууме и водной среде. Для допированного атомом азота кластера Ti 15 O 29 N 1 характерно наличие полос поглощения с длинами волн преимущественно в видимой области спектра (430-780 нм) и значительное уменьшение энергетического зазора Egap между нижней вакантной и высшей занятой молекулярными орбиталями в сравнении с ( TiO 2)15. Показано влияние положения атома азота в центральном фрагменте TiO 6 кластера Ti 15 O 29 N 1 на величину Egap , смещение электронного спектра поглощения и максимальную силу осциллятора fmax среди 30 электронных переходов. Установлено, что при учете водной среды положения полос поглощения в электронных спектрах сдвигаются в область более коротких длин волн. Для переходов с наибольшим значением силы осциллятора наличие водной среды приводит к значительному увеличению величины fmax .
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):510-516
510-516
О проблеме устойчивости/неустойчивости в тернарных наночастицах Сu-Fe-Ni типа ядро-оболочка
Аннотация
Статья посвящена исследованию стабильности тернарных наночастиц Cu-Fe-Ni (состоящих из 5400 атомов) с типом структуры ядро-оболочка и ее взаимосвязи с поверхностной сегрегацией. Основное внимание уделяется моделированию их структурообразования с помощью программного обеспечения LAMMPS. Авторы проверяют гипотезу о том, что устойчивость наночастиц зависит от спонтанного выделения одного из компонентов на поверхность. Рассматриваются три конфигурации с различным распределением атомов (конфигурация Cu 45 Fe 45 Ni 1 0 со случайным распределением атомов, а также конфигурации - Cu 25 Fe 25 @Ni 50 и Fe 25 Ni 25 @Cu 50), и для каждой выполнено численное моделирование с применением метода молекулярной динамики, а также с использованием потенциалов сильной связи и метода погруженного атома. Анализ показал, что медь склонна к поверхностной сегрегации, а никель концентрируется в ядре, что значительно влияет на механические свойства наночастиц. Выявлены закономерности образования дефектов и их влияние на прочность наноструктур. В статье отмечается, что правильный выбор оболочки и ядра может как стабилизировать, так и дестабилизировать наночастицы, что открывает перспективы для практического применения этих материалов.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):517-531
517-531
Структурные превращения в бинарных наночастицах Ti-V: размерный эффект и эффект изменения состава
Аннотация
Рассмотрены процессы структурообразования в бинарных наночастицах Ti-V , а также факторы, влияющие на процесс кристаллизации. В качестве объектов исследования выступали бинарные наночастицы Ti-V , содержащие N =200, 400, 800, 1520, 3000 и 5000 атомов, различного состава. Компьютерный эксперимент проводился методом молекулярной динамики. Межатомное взаимодействие описывалось потенциалом сильной связи. По результатам серий компьютерных экспериментов было установлено, процесс кристаллизации бинарных наночастиц Ti-V существенно зависит как от их размера, так и от соотношения компонентов. С увеличением размера наночастиц наблюдается рост температуры кристаллизации, при этом соотношение компонентов оказывает значительное влияние на формирование кристаллических фаз. Минимальные температуры кристаллизации зафиксированы при соотношениях титана и ванадия 25-75% и 50-50%. Более крупные наночастицы также демонстрируют выраженную структурную сегрегацию, при которой доминируют ГЦК и ГПУ фазы в зависимости от соотношения титана и ванадия. Наблюдаемая тенденция к образованию многослойной луковичной (onion-like) структуры указывает на существование более сложного процесса структурообразования, чем поверхностная сегрегация.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):532-542
532-542
О стабильности и релаксации структуры металлических наноклеток
Аннотация
Рассмотрена проблема термической стабильности моно- и бинарных металлических наноклеток, состоящих из атомов золота и серебра с одинаковой нуклеарностью в 3000 атомов. Начальные конфигурации наноклеток были получены в ПО ClusterEvolution путём вырезания из икосаэдра большего размера. Моделирование процесса нагрева для исследования термической стабильности/нестабильности было проведено в ПО Metropolis, использовался метод Монте-Карло и схема Метрополиса. Межатомное взаимодействие описывалось потенциалом сильной связи. Исследовано влияние состава, характерных размеров (внутреннего и внешнего радиусов), а также формы внутренней поверхности в начальной конфигурации на термическую стабильность наноклеток. Определена температура полного коллапса внутренней полости наноклеток. Представлены и проанализированы результаты расчётов температурной зависимости средней локальной плотности и профили локальной плотности при различных температурах, соответствующие различным начальным конфигурациям, а также температурная эволюция долей кристаллических структур в них.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):543-556
543-556
Анализ термической устойчивости внутреннего строения наночастиц Ag-Cu
Аннотация
Бинарные наночастицы сплава меди и серебра представляют большой практический интерес в связи с возможностью тонкой настройки имеющихся в них физико-химических свойств посредством изменения состава, размера, формы и структуры наночастиц. Методом молекулярной динамики были изучены процессы формирования внутреннего строения наночастиц Ag-Cu диаметром от 2,0 до 8,0 нм при их кристаллизации с тремя различными темпами отвода тепловой энергии. Были найдены особенности данного процесса в зависимости от целевого химического состава наночастиц, их размера и интенсивности отвода термической энергии. Реальный внешний вид и структура изучаемых наночастиц определялись при помощи визуализаторов OVITO и xmakemol. Было показано, что в результате кристаллизации из расплава бинарных наночастиц Ag-Cu происходит захват достаточно устойчивых при комнатной температуре (300 К) метастабильных состояний, а также была проведена оценка устойчивости таких состояний после отжига при температуре 600 К.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):557-564
557-564
Физико-химические основы нанотехнологий
Прозрачные проводящие слои с высокой подвижностью свободных носителей заряда на основе оксида индия, легированного вольфрамом
Аннотация
Повышение проводимости прозрачных проводящих слоев за счет увеличения подвижности свободных носителей заряда является одной из важнейших задач прозрачной электроники, так как ее решение способствует не только снижению тепловых потерь в слоях, но и расширению спектра используемого излучения в сторону ближней инфракрасной области. В настоящее время работы в этой области идут по нескольким направлениям, одним из которых является поиск новых составов слоев, позволяющих уменьшить количество вносимой примеси одновременно с увеличением эффективности ее ионизации. В настоящей работе исследовано влияние содержания кислорода в составе рабочего газа и температуры синтеза на морфологию и микроструктуру, электрические и оптические характеристики слоев, полученных при высокочастотном магнетронном распылении керамической мишени In 2 O 3 с добавлением WO 3 на уровне 1 вес.%. Установлено, что максимальная подвижность (59 см2/В٠с) и минимальное удельное сопротивление (7,8×10-4 Ом٠см) достигаются в слоях, синтезированных при 300°С в атмосфере чистого аргона. Для сравнения, в идентичных условиях, были получены слои на основе твердого раствора оксидов индия и олова, широко используемого при формировании прозрачных электродов в различных оптоэлектронных приложениях. Показано, что слои на основе оксида индия, легированного вольфрамом, сохраняют приемлемую прозрачность в широком диапазоне спектра, вплоть до 2000 нм и поэтому предпочтительнее для использования в устройствах, работающих в ближнем инфракрасном диапазоне, например, в преобразователях солнечной энергии или приборах ночного видения.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):565-574
565-574
Особенности локализации примеси Al, Ga и In в слоях на основе ZnO
Аннотация
Снижение стоимости используемых материалов и технологий формирования функциональных слоев является одной из актуальнейших задач интенсивно развивающейся индустрии прозрачной электроники. В этом ключе особый интерес представляют магнетронные слои на основе легированного оксида цинка, рассматриваемые в качестве реальной альтернативы слоям на основе более дорогого оксида индия при формировании прозрачных электродов в различных оптоэлектронных приложениях. Однако выбор оптимальных составов слоев и режимов их синтеза для каждого конкретного приложения осложняется недостатком систематизированных сравнительных данных по этим системам, полученных в идентичных условиях. В данной работе в идентичных условиях методом магнетронного распыления были получены слои ZnO , легированного Al , Ga и In на уровне от 1 до 20 ат.%. Исследована зависимость структуры и электрических характеристик слоев оксида цинка от уровня внесения легирующей примеси и температуры осаждения. Установлено, что ключевыми факторами, определяющими поведение примеси в матрице оксида цинка, являются ее химическая активность, растворимость в матрице оксида цинка, ионный радиус легирующего металла в данной координации, а также электрические характеристики самостоятельных оксидных фаз легирующих металлов, образующихся на границах зерен.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):575-583
575-583
Сорбционная очистка растворов синтетическими цеолитами
Аннотация
Работа посвящена изучению возможности применения синтетических цеолитов, нанодисперсного гидроксиапатита и механоактивированной смеси гидроксиапатит-цеолит в соотношении 1:1 в качестве сорбентов ионов хрома и никеля из кислых водных растворов. Изучен химический качественный и количественный состав, морфология исходных реагентов и полученных растворов. Установлено, что синтетический цеолит и смесь гидроксиапатит-цеолит проявляют высокую сорбционную активность и сорбционную емкость в отношении ионов хрома (степень извлечения 99,96%), при этом нанодисперсный гидроксиапатит позволяет получить степень извлечения 98,73. При сорбции никеля из раствора показано, что максимальная степень извлечения достигается при использовании сорбента гидроксиапатит-цеолит (63,83%). Проведенные исследования позволяют рекомендовать полученные образцы для применения в качестве сорбентов для очистки промышленных сточных растворов от токсичных примесей, а также для дальнейших исследований с целью применения его не только для извлечения различных ионов из водных растворов, но и применения в различных отраслях.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):584-591
584-591
О природе аномально высокого значения предела текучести наноструктурированной магнитной жидкости
Аннотация
На основе магнитных жидкостей реализованы новые эффективные технические устройства, такие как магнитожидкостные подшипники, уплотнения, демпферы. Магнитовязкий эффект может не только улучшить свойства магнитожидкостных узлов, но значительно усложнить их эксплуатацию после продолжительной остановки. Имеется в виду так называемый «стоп-эффект», который возникает из-за аномально высокого предельного напряжения сдвига в структурированной жидкости. Показано, что, опираясь на существующие представления о тиксотропных свойствах магнитной жидкости, не представляется возможным убедительно объяснить опытное значение предела текучести. Оценочные расчеты по известным формулам, полученным для цепочечной модели, дают существенно заниженное значение предела текучести реальной магнитной жидкости. Предложена гипотеза, согласно которой в процессе структурообразования в магнитных жидкостей происходит изменение реологических свойств несущей среды под действием сжимающих напряжений, создаваемых сеткой из дисперсных частиц. Эксперименты подтвердили увеличение плотности магнитной жидкости, находящейся в магнитном поле под влиянием таких напряжений. Можно предположить, что высокое значение предела текучести объясняется наличием собственного предела текучести дисперсионной среды, находящейся в квазитвердом состоянии.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):592-602
592-602
Особенности кинетики лазерной кристаллизации тонких пленок халькогенидных фазоизменяемых материалов GeTe и Ge2Sb2Te5
Аннотация
В работе представлены результаты теоретического анализа кристаллизации тонких пленок фазоизменяемых материалов GeTe и Ge2Sb2Te5 под действием импульсного лазерного излучения. Изменение фазового состояния и оценка доли кристаллической фазы проводились на основе изменения коэффициента оптического отражения зондирующего излучения от поверхности образца пленки. Для оценки кинетических особенностей фазового превращения под действием лазерного излучения применялся формализм на основе теории Колмогорова – Джонсона – Мэла – Аврами. На основе экспериментальных данных изменения отражения при кристаллизации исследуемых материалов были построены графики и определены постоянные Аврами. Показано, что GeTe демонстрирует одноступенчатый процесс кристаллизации, что связано с высокой скоростью зародышеобразования и ростом кристаллитов во всех направлениях. Материал Ge2Sb2Te5 отличает двухступенчатый процесс кристаллизации с изменением постоянной Аврами, что связано с влиянием многих факторов, таких как геометрия пленки, особенности напыления и т.д. и объясняется преобладанием высоко стохастичного зародышеобразования.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):603-611
603-611
Получение наночастиц фазоизменяемого материала Ge2Sb2Te5 методом прямого лазерно-индуцированного переноса
Аннотация
В работе представлены экспериментальные результаты по синтезу наночастиц фазоизменяемого материала Ge2Sb2Te5 методом прямого лазерно-индуцированного переноса. В качестве донорного материала использовались тонкие пленки, полученные методом термического вакуумного осаждения, в качестве акцептора - кремниевые пластины. Лазерно-индуцированный перенос осуществлялся импульсным лазерным излучением суб-наносекундной длительности. Анализ морфологии, топологии и размеров полученных наночастиц проводился с помощью растровой электронной микроскопии. Структурные исследования проводились методом комбинационного рассеяния. Было достигнуто квазиравномерное распределение наночастиц по подложке и по размерам. Экспериментально достигнут диаметр наночастиц менее 100 нм. Спектры комбинационного рассеяния демонстрируют, что полученные наночастицы находятся в кристаллическом состоянии. Результаты работы показывают возможность создания элемента на основе наночастиц с определенным распределением и размерами, как технологическую альтернативу устройствам на основе тонких пленок. Использование наночастиц позволит добиться энергетической эффективности, большей гибкости и плавности переключения, а также даст возможность реализовать нейроморфных и стохастические вычисления.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):612-620
612-620
Импульсное лазерное напыление полупроводниковых тонких пленок III-V: обзор
Аннотация
В настоящем обзоре описываются новейшие достижения в области импульсного лазерного напыления полупроводниковых тонких пленок III-V на различные подложки. Показано, что метод импульсного лазерного напыления является перспективным и достаточно эффективным для получения тонких пленок широкого спектра материалов и принципиально отличается от всех известных методов получения тонких пленок тем, что он является дискретным. Эпитаксиальный рост тонких пленок III-V важен для создания новых приборов современной оптоэлектроники. В обзоре приводятся экспериментально полученные зависимости влияния некоторых параметров метода импульсного лазерного напыления на структурные, оптические, некоторые электрические свойства и стехиометрию состава бинарных и многокомпонентных тонких пленок III-V. Показано, что получения наиболее структурно совершенных тонких пленок III-V необходимо использовать фемто- и наносекундные лазеры с длинной волны от 248 нм до 532 нм, плотность энергии в импульсе должна составлять 3 Дж/см-2, а значение температуры подложки должно находиться в диапазоне от 300°C до 400°C. Мишень должна быть монолитной и иметь наиболее возможную плотность.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):621-630
621-630
Способы снижения плотности образования капель на поверхности тонких пленок при импульсном лазерном напылении: обзор
Аннотация
В настоящем обзоре описываются способы снижения плотности капель на поверхности тонких пленок при импульсном лазерном напылении. Показано, что метод импульсного лазерного напыления является перспективным методом для получения тонких пленок множества разнообразных материалов, а основным фактором препятствующим его промышленному применению является образование капель на поверхности тонких пленок. Описаны основные причины образования капель, а также дана классификация способов снижения плотности капель на поверхности тонких пленок при импульсном лазерном напылении. Полностью устранить капли без снижения качества и изменения стехиометрического состава тонких пленок чрезвычайно сложно и на данный момент никому из исследователей не удавалось. Самым эффективным способом снижения плотности капель является оптимизация параметров импульсного лазерного напыления для определенных групп материалов. Использование сегментированной мишени из кристаллических материалов, её вращение с определенной скоростью и использование эксимерных лазеров при значениях плотности энергии лазерного излучения несколько большей, чем величина порога абляции способствует снижению плотности капель на поверхности тонких пленок до 103 см-2. Наибольшее влияние на образования капель оказывают физико-химические процессы на поверхности мишени. Наиболее эффективным активным способом снижения плотность капель вплоть до 2×103 см-2 является скоростная фильтрация.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):631-642
631-642
О профильных характеристиках технических поверхностей применительно к наношероховатости
Аннотация
Рассмотрены параметры структуры технической поверхности на наномасштабном уровне, определяемые профильным методом. Показана возможность применения параметров, определяемых в соответствии с отечественными и международными стандартами для профиля шероховатости (микромасштабный уровень), к характеристике поверхности на наномасштабном уровне, выходящем за рамки стандартов. Такую возможность предоставляет лежащая в основе современных стандартов модель профиля технической поверхности как реализации широкополосного случайного нормального процесса. Проведена экспериментальная проверка нормальности процесса сравнением экспериментальных значений интегральной функции распределения вероятности ординат профиля с теоретическими значениями, подчиняющимися нормальному распределению. Приведены экспериментально полученные значения девяти наиболее важных параметров, а также их соотношения, подтверждающие достоверность модели профиля поверхности как нормального случайного процесса. Применение стандартных параметров профиля поверхности позволяет избежать ошибок и недоразумений, связанных с неоднозначной трактовкой того или иного параметра.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):643-650
643-650
Моделирование ячеек адаптивного фазосдвигающего фильтра с оптическим управлением на основе многослойных структур фазоизменяемых материалов
Аннотация
В статье представлены результаты моделирования исследований фазового сдвига проходящего оптического пучка, обусловленного формированием слоистой структуры в элементарной управляемой ячейке из фазоизменяемого материала Ge2Sb2Te5 , подвергнутой управляющему воздействию импульсного лазерного излучения короткой и ультракороткой длительности. На основе термокинетического подхода анализируется кристаллизация тонкой пленки Ge2Sb2Te5 , учитываются кинетические свойства материала, энергия и длительность воздействующего лазерного излучения, аморфизация верхних слоев пленки при быстром нагреве и зависимость кинетических свойств от температуры. Для каждого воздействующего импульсного излучения построены графики толщины кристаллического слоя в материале пленки. На основе данных о расположении кристаллического слоя рассчитывается фазовый сдвиг проходящего оптического излучения. На основе данных моделирования исследованной элементарной ячейки можно построить фазовый вращатель для преобразования оптического пучка произвольной апертуры. Предложенный метод управления фронтом оптического пучка за счет изменения структурного состояния тонкой пленки может оказаться весьма перспективным, если требуется точная и быстрая перестройка оптической фазовой прозрачности.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):651-657
651-657
Электростимулированная пластичность титана при растяжении
Аннотация
В работе подтверждена возможность электростимулирования пластичности, обнаруженная ранее в ультрамелкозернистом титане. Экспериментально определены режимы импульсного тока при растяжении, позволяющие значительно повысить относительное удлинение до разрушения в технически чистом крупнозернистом титане Grade 4. Показано, что введение одиночных импульсов тока амплитудной плотностью 300-400 А/мм2 с переменной длительностью от 100 до 1000 мкс и скважностью от 1000 до 10000 в процессе растяжения способствует снижению предела прочности с 845 до 750 МПа и одновременному повышению относительного удлинения с 10 до 21%. Структурные исследования методом оптической микроскопии показали, что растяжение с током не влияет на средний размер зерен, однако приводит к измельчению крупных частиц и частичному растворению мелких включений. Результаты структурных исследований, измерения температуры и особенности деформационного поведения при отключении тока подтверждают преимущественно атермическую природу повышения пластичности.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):658-669
658-669
Внутреннее трение на границах зерен в нанокристаллическом материале с порами
Аннотация
Рассматривается математическая модель внутреннего трения в поликристаллическом материале с наномасштабным размером зерен. Их границы содержат поры, как в тройных стыках зерен, так и между ними. Под действием переменных нормальных границе напряжений плоские участки границы являются периодически действующими источниками и стоками вакансий. Вследствие наличия этих потоков осуществляется взаимное смещение смежных зерен. В зависимости от температуры диффузионная длина вакансий меньше, либо сравнивается с расстоянием между порами. На графике зависимости внутреннего трения от температуры имеется излом между прямолинейными участками. Из положения излома можно оценить средний размер плоских участков границы. Эффективная энергия активации процесса в этих случаях зависит от температуры и различается в два раза. При температурах, когда концентрация тепловых вакансий в границе превышает геометрически необходимую величину концентрации структурных вакансий, энергия активации еще более увеличивается. Температура перехода к этому значению определяется степенью неравновесности структуры границы.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):670-678
670-678
Динамическое торможение дислокаций в состаренных алюминиевых сплавах в условиях лазерного облучения
Аннотация
Теоретически проанализировано надбарьерное скольжение дислокаций под действием лазерных импульсов в состаренных алюминиевых сплавах, содержащих наноразмерные дефекты (зоны Гинье-Престона). Для решения поставленной задачи использовалась теория динамического взаимодействия дефектов. Получены аналитические выражения зависимости динамического предела текучести от концентрации атомов меди и плотности дислокаций в состаренном алюминиевом сплаве. Проанализированы условия возникновения экстремумов функций, описывающих зависимость динамического предела текучести алюминиевого сплава от концентрации атомов меди и плотности дислокаций. Проведенный анализ подтверждает выводы теории динамического взаимодействия дефектов об условиях возникновения немонотонных зависимостей механических свойств металлов и сплавов от концентрации структурных дефектов. Максимум имеет место в точке, где происходит смена главного вклада в формирование спектральной щели. Минимум находится в точке, где сменяется главный вклад в динамическое торможение дислокаций. Показано, что для возникновения двух экстремумов этих зависимостей важную роль играют наноразмерные дефекты (зоны Гинье-Престона). Существование и положение экстремумов определяется конкуренцией взаимодействия движущейся дислокации с другими дислокациями ансамбля, атомами меди и зонами Гинье-Престона. Выполнены численные оценки объёмной концентрации зон Гинье-Престона, при которой возможно существование двух экстремумов. Согласно оценкам величина концентрации зон Гинье-Престона составляет 1023-1024 м-3.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):679-685
679-685
Металлические мембраны для очистки водорода: проблемы, тенденции и перспективы применения
Аннотация
Проблемы, связанные с глобальным потеплением из-за выбросов парниковых газов в результате деятельности человека, заставляют искать пути к созданию новых технологий сокращения выбросов CO 2 при сжигании ископаемого топлива. Водород является чистым и эффективным энергоносителем, поэтому водородная энергетика рассматривается как одно из стратегических направлений развития энергетической безопасности и устойчивости. Хотя водород можно производить путем электролиза воды, в настоящее время большая часть производимого во всем мире водорода по экономическим причинам поступает из парового риформинга природного газа, который должен быть подвергнут очистке от примесей до сверхвысокой чистоты. Традиционные методы, основанные на абсорбции-десорбции при переменном давлении с помощью криогенной дистилляции, являются энергоемкими, что побуждает разрабатывать новые высокоселективные и энергоэффективные технологии очистки H 2. К таким технологиям относится быстро развивающаяся мембранная технология, которая на данный момент, еще не достигла того уровня, который необходим для ее повсеместного промышленного применения. В данной обзорной статье проанализированы основные аспекты текущих исследований в области технологии очистки водорода с помощью плотных металлических мембран с акцентом на их технологическую устойчивость за счет подбора их химического состава (в том числе мультикомпонентного) и оптимизации структурного состояния. Рассматриваются также перспективы дальнейшего развития и использования этой технологии для нужд экономики.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):686-710
686-710
Модификация перовскитных и сенсибилизированных красителем солнечных элементов плазмонными наночастицами
Аннотация
Солнечные элементы, сенсибилизированные красителем, и перовскитные солнечные элементы могут работать в условиях низкой и рассеянной солнечной радиации, что делает их перспективными кандидатами для замены доминирующих на рынке фотопреобразователей на основе кремния. Эффективность таких устройств во многом определяется морфологией электронпроводящих фотоэлектродов. Одной из стратегий для ее повышения является встраивание в фотоэлектродный слой наночастиц Ag и Au . Они, благодаря явлению поверхностного плазмонного резонанса, усиливают рассеяние подающего света и влияют на механизм трансфера электронов в зону проводимости полупроводника, что приводит к возрастанию электрического тока, генерируемого солнечным элементом. В представленной работе рассмотрено влияние ряда параметров встраиваемых наночастиц на эффективность фотопреобразователей, таких как размер, форма и диэлектрическое окружение. Показано, что использование биметаллических соединений Ag-Au, Ag-Cu и гетерогенных структур различного вида позволяет достичь более высокого КПД солнечных элементов по сравнению с устройствами, модифицированными монометаллическими наночастицами.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):711-719
711-719
Температурная эволюция диэлектрических характеристик пленок PVDF и P(VDF-TrFE), изготовленных методом 4D-печати
Аннотация
В работе исследованы пленки поливинилиденфторида и его сополимера с трифторэтиленом. Образцы изготавливались методом послойного наплавления раствора. Часть изготовленных пленок подвергалась поляризации в поле коронного разряда. Для изготовленных пленок было проведено исследование зависимостей диэлектрической проницаемости от температуры. Исследование показало, что для пленок поливинилиденфторида на зависимостях диэлектрической проницаемости от температуры не наблюдается максимум, так как предполагаемая температура сегнетоэлектрического фазового перехода имеет большее значение, чем температура плавления. Максимум на температурной зависимости диэлектрической проницаемости для поляризованных пленок сополимера винилиденфторида с трифторэтиленом смещен на 10°C в высокотемпературную область по сравнению с максимумом для неполяризованных пленок. При этом диэлектрическая проницаемость неполяризованных пленок имеет большие значения в сравнении с соответствующей величиной для поляризованных образцов. Это связано с увеличением доли β -фазы после поляризации, а также с внутренним электрическим полем, обусловленным объемным зарядом, образующимся в процессе поляризации на границах раздела фаз.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):720-728
720-728
Размерные эффекты трения в чистом титане
Аннотация
Статья посвящена экспериментальному исследованию трибологического поведения без смазки технически чистого титана в специфических условиях, приближенным к фреттингу, отличающихся от традиционных испытаний малой величиной амплитуды и частоты перемещения индентора. Трибологические характеристики износ и коэффициент трения при комнатной и повышенной температуре титана Grade 4 сравниваются в ультрамелкозернистом (размер зерен d g = 0,45 мкм) и крупнозернистом состояниях ( d g = 45 мкм). Показано, что при комнатной температуре уменьшение размера зерен на два порядка кратно увеличивает износ и коэффициент трения. Уменьшение амплитуды смещения от 300 до 50 мкм приближает условия трения к фреттингу и снижает как износ, так и коэффициент трения. Повышение температуры от комнатной до 350°С трансформирует традиционный вид износа в образование окисной пленки и снижает коэффициент трения. Обсуждаются граничные условия возникновения фреттинга и их применимость к наноструктурам.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):729-737
729-737
Структурирование поверхности кремниевых пластин гигантскими импульсами низкочастотного YAG:ND лазера
Аннотация
Представлены результаты экспериментального исследования воздействия на кремниевые пластины излучения гигантских импульсов наносекундного низкочастотного лазера на кристалле иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом с длиной волны 1,064 мкм. Длительность импульсов лазерного излучения по полувысоте составляла 170 нс, частота повторения импульсов 2 Гц. Эксперименты проводились для случаев нахождения кремниевых пластин как в воздушной среде, так и в бидистиллированной воде. При облучении в воздушной среде на поверхности кремниевой пластины удалось сформировать наноструктурированную область с однородным распределением частиц. Время воздействия составляло 2 минуты, что соответствовало 240 импульсам лазерного излучения. При этом частицы были сформированы в основном из диоксида кремния, образующегося в результате термического окисления при абляции в воздушной среде. При увеличении времени воздействия вдвое такого эффекта не достигалось, а формировались области деструкции пластины. При облучении в бидистиллированной воде в течении двух и четырех минут на поверхности кремниевой пластины превалировали механические и термические деструкции, которые проявлялись в растрескивании по граням кристаллической структуры и в виде поверхностных застывших проплавленных областей.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):738-745
738-745
Нанохимия
Исследование влияния гиалуроновой кислоты на структуру наноразмерного карбоната магния
Аннотация
В рамках данной работы был проведён синтез и исследование наноразмерного карбоната магния, стабилизированного гиалуроновой кислотой. На первом этапе проводилось квантово-химическое моделирование процесса взаимодействия наночастиц карбоната магния с гиалуроновой кислотой, в результате которого установлено, что добавление гиалуроновой кислоты формирует энергетически выгодное и химически стабильное взаимодействие. Наиболее энергетически выгодным ( ∆E = 462,410 ккал/моль) и химически стабильным ( η = 0,091 эВ) является взаимодействие через карбоксильную группу, присоединённую к C6 остатка глюкуроновой кислоты. Синтез проводился путём смешивания растворов ацетата магния и гиалуроновой кислоты, добавления раствора карбоната аммония по каплям со скоростью 30 мл в минуту, перемешивания в течение 10 минут при 700-1000 об/мин. Далее полученные образцы центрифугировали в течение 5 минут при 3000 об/мин в пятикратной повторности и высушивали при 110°C в течение 8 часов. Порошки исследовали методами порошковой дифрактометрии, сканирующей электронной микроскопии и инфракрасной спектроскопии. В результате рентгенофазового анализа определён фазовый состав полученного образца: карбонат магния безводный, кристаллогидрат карбоната магния, минерал «Артинит». Сканирующая электронная микроскопия показала, что образец состоит из стержнеобразных частиц длиной от 5 до 10 мкм, состоящих из наночастиц диаметром от 20 до 100 нм. Анализ инфракрасных спектров наноразмерного карбоната магния, стабилизированного гиалуроновой кислотой, гиалуроновой кислоты и наноразмерного карбоната магния без использования стабилизатора показал, что в инфракрасном спектре наноразмерного карбоната магния, стабилизированного гиалуроновой кислотой в области от 1300 до 1400 см-1 наблюдаются деформационные плоскостные колебания O-H группы, что позволяет сделать вывод о формировании взаимодействия наноразмерного карбоната магния с гиалуроновой кислотой через гидроксильную группу.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):746-757
746-757
Разработка и оптимизация методики синтеза наночастиц селена, стабилизированных метилцеллюлозой
Аннотация
В результате проведенной работы разработана и оптимизирована методика синтеза наночастиц селена, стабилизированных метилцеллюлозой. В качестве селенсодержащего прекурсора использовали селенистую кислоту, в качестве восстановителя - аскорбиновую кислоту, в качестве стабилизатора - метилцеллюлозу. Для оптимизации методики синтеза наночастиц селена, стабилизированных метилцеллюлозой, проводили многофакторный эксперимент. Установлено, что для синтеза наночастиц селена с наименьшим средним гидродинамическим радиусом молярная концентрация селенистой кислоты в растворе должна находиться в диапазоне от 0,0036 до 0,1033 моль/л, масса метилцеллюлозы - от 3,0 до 3,985 г, молярная концентрация аскорбиновой кислоты - от 1,52 до 2,12 моль/л. Показано, что pH среды, заряд и концентрация ионов натрия и бария не влияют на средний гидродинамический радиус наночастиц селена, стабилизированных метилцеллюлозой, однако при воздействии ионов железа радиус увеличивается со 150 до 270 нм. Установлено, что увеличение концентрации и заряда анионов оказывает значительное влияние на средний гидродинамический радиус наночастиц селена, стабилизированных метилцеллюлозой. При увеличении концентрации ионов хлора c 0,1 до 1 моль/л увеличение среднего гидродинамического радиуса частиц происходило с 143 до 156 нм, при увеличении концентрации сульфат ионов c 0,1 до 1 моль/л увеличение среднего гидродинамического радиуса частиц - с 165 до 6129 нм, при увеличении концентрации фосфат ионов c 0,1 до 1 моль/л увеличение среднего гидродинамического радиуса частиц - с 149 до 17000 нм.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):758-766
758-766
Исследование транспортных свойств гидроксиапатита и его кремнийзамещенных производных
Аннотация
В статье обсуждается возможность практического применения гидроксиапатита и кремнийзамещенного гидроксиапатита в качестве компонентов лекарственных средств, фармацевтических композиций и биоматериалов, применение которых основано на трансдермальном пути доставки действующего вещества. С использованием современных физико-химических методов анализа оценены площадь удельной поверхности, степень дисперсности и транспортные свойства (трансмукозная проницаемость) гидроксиапатита и кремнийзаамещенного гидроксиапатита. Особое внимание уделено совместному использованию исследуемых веществ и глицеролатов кремния в качестве проводника, обладающего выраженными транскутанными, пенетрирующими свойствами, способствующему накоплению в биологических мембранах (кожа, слизистая и пр.) применяемых местно лекарственных средств без нарушения ее структуры. Показано, что транспортные свойства, обуславливающие эффективность действия, зависят от физико-химических характеристик пенетрируемых веществ. Диффузионный перенос и возможность осуществления контроля происходящих процессов могут быть использованы для оптимального конструирования лекарственных препаратов для адресной доставки через кожу и слизистые оболочки.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):767-778
767-778
Изучение возможности получения биокомпозитов на основе наноразмерного гидроксиапатита, упрочненного оксидом титана и фторидом кальция
Аннотация
В статье обсуждается возможность получения упрочненного композиционного материала на основе наноструктурированного гидроксиапатита, синтезированного методом осаждения из раствора. Новый материал получен путем механохимичекого синтеза гидроксиапатита с оксидом титана и фторидом кальция QUOTE . Синтезированные образцы аттестованы с использованием современных физико-химических методов анализа. Показано влияние качественного и количественного состава композита на протекание процессов спекания и прочностные характеристики исследуемых образцов. Экспериментально установлено, что наиболее перспективной для разработки на ее основе биокомпозитов является система Ca 10( PO 4)6( OH )2 - 15% CaF 2-15% TiOx . Композиционные материалы данного состава обладают плотной равномерной структурой с высокой степенью кристалличности, с развитой пористостью, являются перспективным материалом для дальнейших исследований с целью внедрения его в медицинскую практику. Оценена возможность практического применения полученного композиционного материала в качестве компонента биоактивного покрытия. На разработанный композиционный материал подана заявка на патент.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):779-793
779-793
Покрытия из наностержней гетероструктуры ZnO/Zn2SnO4 для эффективного детектирования ацетона
Аннотация
Гетероструктура типа II ZnO / Zn 2 SnO 4 была рассмотрена для применения в газовых сенсорах. Методом гидротермального синтеза на поверхности подложки BI 2 с напыленными электрическими контактами (сенсорная платформа) были выращены наностержни ZnO с оболочкой Zn 2 SnO 4. Были исследованы газочувствительные свойства к различным газам-аналитам (изопропанол, этанол и ацетон) с помощью комбинированной лабораторной установкой, позволяющей производить измерения отклика сопротивлений и спектроскопии электрического импеданса. При рабочей температуре 150°C образец показал оптимальную чувствительность к ацетону (1000 мд), отклик Ra / Rg достигал значения 11. Годограф импеданса, построенный по результатам измерений в присутствии паров ацетона, при рабочей температуре 200°C демонстрирует последовательные изменения. Эта рабочая температура показала более четкую оптимизацию по сравнению с другими исследованиями, где рабочая температура сенсора составляла от 300 до 450°C. Кроме того, была представлена энергетическая зонная диаграмма гетероструктуры ZnO / Zn 2 SnO 4 и обсужден механизм детектирования ацетона. Структура наностержней ZnO/Zn2SnO4 обуславливает улучшенный отклик за счет хемосорбции кислорода на поверхности оболочек Zn2SnO4 .
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):794-804
794-804
Влияние гиалуроновой кислоты на структуру наногидроксиапатита и морфологические характеристики их композиций
Аннотация
Перспективными материалами для костной пластики являются композиты на основе гидроксиапатита и природных биополимеров. В работе методом химического осаждения из водных растворов синтезированы образцы гидроксиапатита в присутствии высокомолекулярной гиалуроновой кислоты (0,4-0,8 масс.%). Полученные порошки представлены карбонатсодержащим наногидроксиапатитом и содержат 89-98 масс.% полисахарида. Установлена корреляция между содержанием гиалуроновой кислоты в маточном растворе и кристаллохимическими, структурно-морфологическими характеристиками образцов. Выявлено, что по сравнению с образцом гидроксиапатита, в вязко-упругих средах полисахарида образуются порошки, имеющие меньший параметр а кристаллической решетки гидроксиапатита, близкий по значению к стехиометричной фазе. С увеличением содержания гиалуроновой кислоты в маточном растворе уменьшаются кристалличность, размеры кристаллитов и площадь удельной поверхности композитов, их средняя величина составляет 16 нм и 47 м2/г. Образцы на основе наногидроксиапатита и полисахарида состоят из овально-пластинчатых агломерированных частиц. При максимальном содержании в модельном растворе гиалуроновой кислоты образуются аморфизированные плотные по структуре округлые конгломераты. Синтезированные композиты могут применяться в медицинской практике как остеокондуктивные иплантаты, а также с целью создания нанокапсулированных систем доставки лекарственных препаратов.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):805-814
805-814
Стабилизация аморфного фосфата кальция в структуре гидроксиапатита при жидкофазном синтезе
Аннотация
Жидкофазным синтезом при pH 11 получен аморфизированный гидроксиапатит со стабилизированными включениями аморфного фосфата кальция. Надежными признаками присутствия аморфного фосфата кальция в структуре гидроксиапатита являются: 1) рефлексы α -трикальцийфосфата на дифрактограммах после 800°C; 2) выраженный экзоэффект кристаллизации аморфной фазы при 600-850°С на термограммах. Кристаллизация аморфного фосфата кальция в α -трикальцийфосфат ингибирована влиянием межкластерной воды (0,5 молекул/кластер). В условиях жидкофазного синтеза, ключевым фактором стабилизации до 16% аморфных включений является высокое пересыщение реакционной среды, обеспечиваемое скоростью смешивания растворов реагентов ~10-1 моль/с. Высокое пересыщение реакционной среды способствует формированию оболочки гидроксиапатита вокруг ядра аморфного фосфата кальция. Оболочка гидроксиапатита обуславливает устойчивость аморфной фазы к взаимодействию с ионами маточного раствора на протяжении 30 сут и затрудняет аллотропный переход ( α → β )-трикальцийфосфат при 800°C.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):815-825
815-825
Морфология нанокристаллических структур гидроксиапатита по данным фрактального анализа
Аннотация
В настоящее время мировой спрос на ортопедические имплантаты превышает 6 миллионов единиц в год и продолжает увеличиваться. Известно, что кость человека является композиционным материалом, неорганическая часть которого образована фосфатами кальция, преимущественно в форме гидроксилапатита нестехиометрического состава. Данный факт обуславливает интерес изучения и возможность применения в биомедицинских целях материалов на основе гидроксилапатита, имеющих сходство с химическим составом костной и зубной ткани и высокую биосовместимость. Исследования в данной области необходимы как с точки зрения фундаментальной перспективы по расширению области применения метода, так и с практической точки зрения для сокращения объемов лабораторных экспериментов в рамках разработки новых материалов и исследования биологических жидкостей в норме и патологии. В работе показано, что присутствие органических и неорганических добавок при синтезе гидроксилапатита оказывает влияние на состав и морфологию кристаллов получаемого соединения. Результаты анализа, представленные в виде диаграмм, и позволяют судить об обратно пропорциональной зависимости между временем кристаллизации и величиной морфологической размерности структур гидроксилапатита, вне зависимости от природы добавки. Полученные результаты подтверждают возможность применения морфологического анализа для установления закономерностей формирования материалов на основе гидроксилапатита и выполнения экспрессной оценки их свойств (состав, морфология, степень кристалличности, природа и концентрация примесей).
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):826-836
826-836
Синтез наногидроксиапатита модифицированного ионами лантана и церия: состав и свойства
Аннотация
Наночастицы гидроксилапатитов, легированные ионами лантаноидов, могут использоваться в качестве люминесцентных меток и стать альтернативой органическим флуорофорам, так как они более стабильны и имеют больший срок службы. Такие материалы позволяют исследовать ткани при работе в области хирургии, костной инженерии и при процессе восстановления тканей. Известно, что лантаноиды обладают высоким сродством к гидроксиапатиту. Это объясняется тем, что лантаноиды имеют близкие ионные радиусы с ионами кальция, с этим связана их биологическая активность. Редкоземельные элементы ингибируют образование остеокластоподобных клеток и процесс резорбции костной ткани. При этом лантаноиды оказывают биологическое воздействие на организм, вследствие чего подавляется рост бактерий, и при это изменяется структура наружной клеточной мембраны, отвечающая за проницаемость клеток. В работе проведен синтез замещенных гидроксиапатитов с варьированием содержания ионов лантана (III) и церия (III). Методами рентгенофазового анализа и инфракрасной спектроскопией доказано образование замещенного гидроксиапатита. Показано изменение параметров кристаллических решеток синтезированных фаз, что свидетельствует о замещении ионов кальция на ионы редкоземельных элементов в структуре гидроксиапатита. Методом атомно-эмиссионной спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой доказано присутствие ионов редкоземельных элементов в твердых фазах. При изучении резорбции синтезированных образцов выявлено, что катион-замещенные гидроксиапатиты менее растворимы, чем не модифицированный гидроксиапатит. Таким образом, ионы лантана (III) и церия (III) могут ингибировать и подавлять действие остеокластов и тем самым препятствовать разрушению костной ткани, при этом сохраняя ее целостность. В соответствии с этим материал на основе гидроксиапатита, дозированного ионами редкоземельных элементов, может оказывать положительное действие при его использовании в костной инженерии.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):837-847
837-847
Электрохимическое и биомиметическое осаждение кальцийфосфатов на титановых сплавах
Аннотация
Наличие примесей других металлов в титановых сплавах оказывает влияние на состав оксидной пленки после термообработки: в сплаве ВТ 00 помимо рутила присутствует оксид Ti 6 O , который в сплавах ВТ 1-0 и ВТ 6 переходит в оксид Ti 3 O , что влияет на коррозионную стойкость и механическую прочность. Электрохимическим осаждением на титановых пластинах при комнатной температуре, pH 5, постоянной плотности тока 30 мА/см2, из суспензионного электролита CaCO 3 / Ca ( H 2 PO 4)2 получены кальцийфосфатные покрытия, содержащие брушит, кальцит и апатит. Биомиметическим методом, в концентрированном в 3 раза модельном растворе Simulated Body Fluid, на покрытия нанесен слой аморфизированного апатита для повышения биосовместимости. После термообработки при 800°С кальцийфосфатные покрытия, полученные на титане ВТ 00 обладают большей биосовместимостью, но меньшей резорбируемостью, в виду наличия в составе покрытия большего количества кристаллического гидроксиапатита.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):848-856
848-856
Получение коллоидных суспензий и водных дисперсий фуллеренов и исследование их физико-химических свойств
Аннотация
Перспективой успешного применения фуллеренов в биологии и медицине является возможность получения их нетоксичных гидрофильных производных, которые способны участвовать в обмене веществ, происходящем в живом организме. Эффективное решение этой проблемы связано с созданием водорастворимых молекулярных комплексов, в которых молекула фуллерена заключена в более крупную водорастворимую капсулу. Предложена новая методика получения коллоидных суспензий и водных дисперсий фуллеренов на основе растительного масла и поливинилового спирта способом ульразвукового диспергирования в камере Elmasonic S10Н. Спектры пропускания синтезированных образцов снимали на спектрофотометре UNICO 2100. Гидродинамический радиус частиц измеряли на анализаторе размеров частиц Photocor Compact-Z. Для создания теоретических моделей, а также проведения квантово-химических расчётов использовали программу 3d-моделирования ArgusLab 4.0.1. Структуры гидрогелевых плёнок фуллереновых дисперсий исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (микроскоп MIRA-LMH фирмы Tescan).
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):857-863
857-863
Изучение каталитического синтеза углеродных наноструктур при микроволновом пиролизе целлюлозы
Аннотация
Одно из направлений разработки методов эффективного и экономичного синтеза углеродных наноструктур из растительного сырья заключается в использовании для проведения пиролитических преобразований биомассы энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля. Объединение микроволнового облучения и процесса пиролиза представляет собой новое решение, имеющее ряд преимуществ, повышающих эффективность переработки биомассы и определяющих перспективность микроволнового пиролиза в получении углеродных нанопродуктов. В работе изучены условия процесса каталитического синтеза углеродных нанотрубок при микроволновом пиролизе целлюлозы - основного компонента биомассы. Задача исследования - оценка влияния бинарного никель-железного катализатора на углеродном носителе на синтез углеродных наноструктур, протекающий в процессе с участием органических добавок (глюкозы, тиомочевины), назначение которых заключается в предотвращении окислительных процессов в системе и поддержании активности катализатора. Опыты выполнялись посредством обработки микроволновым излучением частотой 2450 МГц и мощностью 1000 Вт смеси реагентов в течение 10-12 минут. Синтезированные образцы охарактеризованы методами рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии. Во всех экспериментах наблюдалось образование многостенных углеродных нанотрубок и малослойных графеновых частиц. Экспериментально установлено, что используемый катализатор проявил большую активность в процессах микроволнового синтеза углеродных нанотрубок в присутствии глюкозы.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):864-872
864-872
Описание термодинамических параметров комплексообразования алканов и полиароматических углеводородов в рамках полуэмпирических методов
Аннотация
В работе представлен сравнительный анализ квантово-химических полуэмпирических методов для проведения расчётов термодинамических параметров связывания алканов CnH 2n+2 ( n =6-14) и полиароматических углеводородов короненового ряда как модельных структур графеновой поверхности. Рассмотрены два типа ориентирования молекул алканов в зависимости от взаимного расположения плоскости С-С-С -«зигзага» алканов и плоскости поверхности полиароматических углеводородов: параллельное и перпендикулярное. Выявлено, что параллельное расположение молекул алканов на поверхности короненов является более энергетически выгодным, чем перпендикулярное. Рассчитаны энтальпия, энтропия и энергия Гиббса образования и связывания алканов с полиароматическими углеводородами в методах РМ3, RM1, PM6-DH2, PM6-D3H4, PM7. Показано, что первые два метода непригодны для описания возникающих межмолекулярных С-H/π -взаимодействий в системах алкан - полиароматические углеводороды, поскольку энергия Гиббса связывания, оцененная в них, имеет положительные значения, что не согласуется с имеющимися литературными данными. Среди более поздних методов PM6 и PM7 оптимальным является использование метода PM6 с коррекцией DH2 на дисперсионные взаимодействия и водородные связи. Значения энтальпий связывания в комплексах алкан - трициркумкоронен, рассчитанные с помощью методов PM6-DH2 и PM6-D3H4, хорошо согласуются с экспериментальными данными по энтальпии адсорбции алканов на поверхности графита/графена, а также данными молекулярно-динамического моделирования. Однако, по энергии Гиббса связывания в рассмотренных комплексах алканов с параллельным и перпендикулярным ориентированием алканов на трициркумкоронене только метод PM6-DH2 дает значения, наилучшим образом согласующиеся с имеющимися данными по энергетической предпочтительности таких комплексов.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):873-890
873-890
Влияние паров воды на проводимость и отклик к парам этанола газочувствительных наноструктурированных слоёв ZnO при комнатной температуре
Аннотация
В работе представлены результаты исследования газочувствительности плёночных наноструктур на основе ZnO при комнатной температуре. Целью исследования являлось установление влияния влажности окружающей среды на проводимость образцов ZnO , а также на характер их отклика к парам этилового спирта в присутствии паров воды. Установлено, что слои оксида цинка имеют чувствительность к парам воды и этанола при комнатной температуре в широком диапазоне их концентраций (от 5 до 50% насыщенного пара). Обнаружено, что последовательные напуски паров воды приводят к дрейфу проводимости образцов оксида цинка в атмосфере сухого воздуха, а предварительный отжиг образцов при 400°C позволяет воспроизводить концентрационную зависимость отклика газочувствительных структур к парам воды. На концентрационной зависимости отклика к парам воды в диапазоне концентраций от 5 до 90% относительной влажности воздуха обнаружен гистерезис, который может быть обусловлен капиллярной конденсацией паров воды в мезопорах слоёв оксида цинка. Установлено, что с увеличением влажности газовой пробы, содержащей пары этанола, уменьшаются значения отклика и предел обнаружения этанола в газо-воздушной смеси образцами ZnO . Результаты проведенного статистического анализа данных методом главных компонент показали принципиальную возможность классификации сухой и влажной газовых проб, содержащих пары этанола в воздухе. Продемонстрировано, что статистическая обработка данных позволяет исключить влияние уровня фоновой влажности на калибровочную кривую отклика газочувствительных образцов оксида цинка.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):891-905
891-905
Влияние глубоких поверхностных акцепторных состояний на температурную зависимость проводимости слоёв оксида цинка
Аннотация
Проведено экспериментальное и теоретическое исследование температурной зависимости проводимости слоёв ZnO в сухом воздухе и парах этанола. Экспериментально установлено, что температурная зависимость проводимости носит нелинейный характер и ее вид определяется условиями эксперимента. Показано, что скорость развёртки напрямую влияет на вид температурной зависимости: при скорости развёртки 0,4°C/мин на температурной зависимости наблюдается локальный минимум проводимости в области температур 250±5°C, а при скорости 30°C/мин температурная зависимость имеет монотонный вид. Предложен механизм, описывающий влияние скорости развёртки на вид температурной зависимости, который предполагает протекание термоактивационных процессов диссоциации адсорбированных молекул кислорода с образованием на адсорбционных центрах атомарной формы кислорода. Ключевой идеей предложенного механизма является предположение о том, что атомарная форма кислорода образует более глубокие акцепторные состояния на поверхности оксида цинка, чем молекулярная форма. При высокой скорости развёртки время релаксации заполнения поверхности адсорбированными формами кислорода существенно больше времени эксперимента поэтому на поверхности слоёв оксида цинка возникают «замороженные» состояния атомарной формы адсорбированного кислорода. На основе проведенных расчетов по предложенной модели предложена методика, которая позволяет уменьшить неравновесные состояния атомарной формы адсорбированного кислорода с помощью термообработки образцов в восстанавливающих средах.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):906-921
906-921
Высвобождение цисплатина из биоинертных матриц в смеси с гидроксиапатитом
Аннотация
Исследована динамика высвобождения цисплатина и его смесей с гидроксиапатитом из биоинертных матриц на основе углеродного войлока и полиэтилена. Изменение соотношения слоев полиэтилена и углеродного войлока в матрицах оказывало влияние на объемную концентрацию введенного цисплатина и продолжительность его высвобождения. Диффузия цисплатина из образцов ограничивалась количеством слоев полиэтилена. После кристаллизации при 800°С фазовый состав гидроксиапатита- α представлен 65% гидроксиапатита и 35% α -трикальцийфосфата, а гидроксиапатит- αβ состоит из 50% гидроксиапатита, 35% α - и 15% β - трикальцийфосфата. Длительное высвобождение цисплатина в течение 44 суток наблюдалось в матрицах с 2-3 слоями углеродного войлока и 3-4 слоями полиэтилена и замедлялось до 58 суток при использовании смесей с гидроксиапатитом. Введение в матрицу смесей гидроксиапатит / цисплатин с различным содержанием гидроксиапатита и α - / β -трикальцийфосфатов замедляло высвобождение цисплатина на 14 суток и составило 58 суток за счет сорбции и/или связывания цисплатина с фосфатами кальция.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):922-932
922-932
Воздействие FeSO4, наноразмерного серебра и кластера {Mo72Fe30} на окисление этиленгликоля H2O2
Аннотация
Изучены каталитические свойства FeSO4, нанокластерного железомолибденового полиоксометаллата {Mo72Fe30} и наноразмерного металлического серебра при жидкофазном окислении водного раствора этиленгликоля пероксидом водорода. Для определения продуктов окисления, содержащих альдегидную группу, в пробы оксидатов добавлялся о-фенилендиамин. Полиоксометаллат {Mo72Fe30} синтезировали по широко известной и используемой на практике двухстадийной методике. Коллоидный раствор серебра получали по методике, которая берет за основу метод Туркевича. По данным анализа, проведенного на лазерном анализаторе размеров частиц, основная доля частиц серебра имеет размеры около 2 нм. Анализ непрореагировавшего этиленгликоля проводили методом ГХ-ПИД. По конверсии этиленгликоля установлено, что наибольшую активность при примерно одинаковом % содержании катализатора в исходной реакционной смеси проявляет наноразмерное металлическое серебро. При этом среди продуктов окисления при добавлении о-фенилендиамина отмечено наличие соединений с альдегидной группой, время выхода которых из хроматографической колонки больше, чем у исходного этиленгликоля.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):933-941
933-941
Жидкофазный синтез фосфатов магния в присутствии галловой кислоты
Аннотация
В водных растворах хлорида магния и дигидрофосфата натрия при мольных соотношениях Mg / Р 1,0-1,5 и величине рН 5-7 в присутствии галловой кислоты получены кристаллогидраты гидрофосфата (ньюберита - MgHPO 4·3 H 2 O ) и ортофосфата ( Mg 3( PO 4)2·22 H 2 O ) магния, которые после прогрева при 800°С переходят в пирофосфаты ( Mg 2 P 2 O 7). Методами рентгенофазового и термического анализов, а также ИК-спектроскопии показано, что наличие органической добавки при жидкофазном синтезе фосфатов магния не приводит к заметному изменению фазового состава продуктов реакции. Выявлено, что галловая кислота оказывает влияние на формирование структуры кристаллогидратов в зависимости от мольного соотношения Mg / Р . Установлено, что при длительном созревании осадков (в течение 6 месяцев) происходит уменьшение размеров элементарной ячейки фосфатов магния. Полученные магнийфосфатные порошки, модифицированные галловой кислотой, проявляют редокс-активность и перспективны для использования в составе биоматериалов в качестве резорбируемых компонентов с антиоксидантными свойствами.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):942-950
942-950
Исследование процесса полимерной стабилизации смешанного оксида железа амилопектином
Аннотация
В данной работе образцы смешанного наноразмерного оксида железа, стабилизированного амилопектином, получали методом химического осаждения в водной среде. Это соединение обладает большим спектром применения в биомедицинских технологиях и устройствах хранения и преобразования энергии, из-за своих супермагнитных свойств. Были проведены исследования микроструктуры методом сканирующей электронной микроскопии и фазового состава дифрактометрическим методом, а также компьютерное квантово-химическое моделирование взаимодействия амилопектина и смешанного наноразмерного оксида железа. В ходе исследования фазового состава установлено, что образец представляет собой смешанный оксид железа Fe3O4 с кубической гранецентрированной решёткой и пространственной группой Fd3m . Исходя из анализа микроструктуры установлено, что образец формируется из частиц диаметром от 24 до 54 нм. В результате компьютерного квантово-химического моделирования установлено, что взаимодействие наночастиц оксида железа с амилопектином является энергетически выгодным и химически стабильным. Наиболее вероятным является взаимодействие через гидроксильную группу, присоединённую к C 2 первого A -связанного остатка глюкопиранозы, так как при данном взаимодействии наблюдаются оптимальные значения полной энергии ( E = -3839,330 ккал/моль) и химической жёсткости ( η = 0,159 эВ).
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):951-959
951-959
Сорбция катионов La3+ цеолитами из водных растворов
Аннотация
Показано, что сорбция катионов лантана синтетическим алюмосиликатным цеолитом, в отличие от природного, увеличивается, как в кислых, так и в нейтральных условиях в 4 раза (с 8 до 26%) и 8 раз (с 4 до 33%), а сорбционная ёмкость увеличивается в 3-8 раз до 145 и 184 мг/г соответственно. Сделан сравнительный анализ применимости адсорбционных моделей Ленгмюра, Фрейндлиха, Темкина, Дубинина-Радушкевича для описания экспериментальных изотерм адсорбции катионов лантана на синтетическом цеолите. Показано, что в водных средах лучше всего подходит модель Ленгмюра ( = 0,9996). Это свидетельствует о том, что в результате сорбции образуется однородная монослойная поверхность. По моделям псевдо-первого, псевдо-второго порядка и модели внутричастичной диффузии сделано предположение об ионообменном характере сорбции. Было показано, что цеолиты могут почти количественно извлекать катионы из водных растворов и представляют интерес в качестве сорбентов, обладающих высокой сорбционной способностью.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):960-970
960-970
Структурные разновидности 2D нитрида бора
Аннотация
Методом теории функционала плотности была произведена геометрическая оптимизация слоевых полиморфных разновидностей нитрида бора в которых атомы находятся в трех различных структурных позициях и определены их энергетические и электронные свойства. Структуры новых полиморфов состоят из атомов бора и азота в sp 2-гибридизованном состоянии и были модельно сформированы из гексагонального нитрида бора путем введения топологических дефектов 4-6-8, 4-6-10, 4-8-10, 4-16 и 4-6-12. В результате анализа установлена возможность существования девяти новых структурных разновидностей. Однако, в процессе геометрической оптимизации три структуры оказались неустойчивыми и в результате трансформировались в более устойчивые полиморфные разновидности BN-L 4-8 и BN-L 4-6-8. Слоевая плотность рассмотренных полиморфных разновидностей изменяется от 0,651 до 0,727 г/см2. Значения энергии сублимации новых структур находятся в диапазоне от 16,93 до 17,69 эВ / ( BN ). Ширина запрещенной зоны варьируется от 3,20 до 4,03 эВ. Определены взаимосвязи между энергетическими и структурными параметрами.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):971-980
971-980
Исследование влияния оксидов титана и циркония на прочностные характеристики наноразмерного гидроксиапатита
Аннотация
В статье обсуждается возможность дисперсного упрочнения наноструктурированного гидроксиапатита, синтезированного методом осаждения из раствора путем введения армирующих добавок нестехиометрического оксида титана и диоксида циркония. Упрочненный композиционный материал: гидроксиапатит - нестехиометрический оксид титана - диоксид циркония получали путем механохимичекого синтеза гидроксиапатита с допирующими компонентами с последующим отжигом при температуре 1000°C. Исходные компоненты и синтезированные образцы были аттестованы с использованием современных физико-химических методов анализа: рентгенофазовый анализ, дифференциальный термический анализ, сканирующая электронная микроскопия, анализ площади поверхности и пористости, дисперсионный анализ. Показано влияние качественного и количественного состава композита на протекание процессов спекания и прочностные характеристики исследуемых образцов в широком интервале температур 25-1200°С. Экспериментально установлено, что наиболее перспективной для разработки на ее основе биокомпозитов является система гидроксиапатит - 15% нестехиометрический оксид титана - 5% диоксид циркония. Композиционные материалы данного состава обладают плотной равномерной прочной структурой с высокой степенью кристалличности и развитой поверхностью, являются перспективным материалом для дальнейших исследований с целью внедрения его в медицинскую практику.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):981-994
981-994
Спектроскопия наночастиц пористого кремния, импрегнированных лекарственной субстанцией малобена
Аннотация
Посредством метода электрохимического анодного травления были сформированы пористые слои кремния с последующим получением наночастиц. Исследование характера взаимодействия наночастиц пористого кремния с новой перспективной субстанцией 4,4’-(пропандиамидо)дибензоата натрия (малобена) было выполнено с помощью методов инфракрасной и рамановской спектроскопии. Выявлено, что в процессе инкорпорирования между наночастицей и малобеном происходит взаимодействие, при котором снижается степень влияния частиц пористого кремния при совместном рассеянии света, а также становятся более интенсивными колебательные моды молекулы 4,4’-(пропандиамидо)дибензоата натрия. Обнаружены характерные полосы поглощения, связанные с образованием химических связей по волновым и рамановским числам, предложена интерпретация полученных результатов с точки зрения формирования готовой субстанции.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):995-1003
995-1003
Разработка материала на основе гидроксиапатита и алюмосиликатных цеолитов со связующим агентом для формирования биоактивных покрытий
Аннотация
Упрочненный композиционный материал с пористой структурой получен путем механохимического синтеза наноструктурированного гидроксиапатита, синтезированного методом осаждения из водного раствора, с армирующими добавками синтетических алюмосиликатных цеолитов, полученных из отходов глиноземного производства. Оценена возможность использования полученного композиционного материала совместно со связующим веществом (пищевой желатин) в качестве биоактивного покрытия на металлических матрицах. Показано влияние фазового состава на физико-химические свойства покрытий (адгезионная прочность, микротвердость, удельная поверхность, микроструктура, предел прочности). Установлено, что использование композиционного материала совместно с желатином в составе биоактивного покрытия позволяет повысить его твердость и адгезионную прочность. На разработанные биоактивные покрытия на основе наноразмерного гидроксиапатита и алюмосиликатными цеолитами со связующим агентом подана заявка на патент.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):1004-1015
1004-1015
Синтез керамического порошка иттрий-алюминиевого граната, легированного рутением
Аннотация
В работе были получены образцы керамических порошков иттрий-алюминиевого граната легированных ионами рутения. Вводимое количество рутения составило 5 и 10 масс.% соответственно. В качестве температуры для отжига были использованы 1150 и 1600°С. В ходе работы было рассмотрено изменение морфологии керамических порошков иттрий-алюминиевого граната легированных ионами рутения с помощью сканирующей электронной микроскопии. Элементный состав был изучен с помощью энергодисперсионной спектроскопии. Фазовый состав исследовали методом рентгенофазного анализа. Удельная площадь поверхности керамического порошка оценена методом Брунауэра-Эммета-Теллера. Для полученных образцов выявлено повышение площади удельной поверхности керамического порошка со снижением количественного содержания рутения в системе. Для всех образцов было установлено наличие примесных фаз. Выявлено, что повышение температуры прокаливания до 1600°С приводило к уменьшению количественного содержания примесных фаз, однако не приводило к их полному устранению. Образец с самым близким к монофазному составу был получен при содержании в составе материала не более 5 масс.% рутения. Результаты, полученные с помощью дифференциального термического анализа, показали, что содержание рутения в применяемых количествах не оказывает влияние на кинетику фазовых переходов, а также кинетику потери массы порошков-прекурсоров.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):1016-1024
1016-1024
Формирование гибридных носителей на основе альбумина и полиоксометаллата для адресной доставки лекарств
Аннотация
Использование белков для создания средств адресной доставки лекарств в организме является перспективным подходом в медицине и имеет широкий спектр достоинств. Создание гибридных носителей для лекарств на основе белков и полиоксометаллатов имеет ряд дополнительных преимуществ. Полиоксометаллаты способны связываться как с белками, так и с молекулами некоторых лекарственных препаратов с получением водорастворимых продуктов без необходимости использования токсичных реагентов и органических растворителей. Регулирование условий получения позволяет управлять размером образующихся в растворе частиц. Постепенная деструкция полиоксометаллата { Mo72Fe30 } при рН крови обеспечивает рН -зависимый механизм высвобождения препарата из структуры носителя. В рамках проведенных исследований нам удалось получить ассоциаты бычьего сывороточного альбумина с координационными комплексами { Mo72Fe30 }-доксорубицин и { Mo72Fe30 }-тетрациклин в водном растворе. Было показано снижение скорости высвобождения лекарственных препаратов в фосфатном буферном растворе с рН 7,4 ( рН крови) из полученного материала по сравнению с системами, не содержащими альбумин. Полученные в рамках настоящего исследования данные проливают свет на закономерности формирования многокомпонентных супрамолекулярных систем, включающих полиоксометаллаты, белки и лекарственный препарат. Результаты свидетельствуют о возможности создания гибридных носителей для адресной доставки лекарств на основе полиоксометаллатов и альбумина с использованием нековалентного связывания.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):1025-1034
1025-1034
Твердые растворы Sr2Ti1-xMnxO4 (x = 0; 0,01; 0,025; 0,05; 0,1) со структурой K2NiF4
Аннотация
По прекурсорной технологии получены твердые растворы Sr 2 Ti 1-xMnxO 4 ( x = 0; 0,01; 0,025; 0,05; 0,1) со структурой Раддлесдена-Поппера ( An+1BnO3n+1 , n = 1, структурный тип K2NiF4 ). В качестве прекурсоров использованы синтезированные по оригинальной методике формиатные комплексы соответствующих металлов. Продуктами термолиза полученных комплексов с органическим лигандом являются изоструктурные однофазные образцы, которые кристаллизуются в виде агломератов со средним размером 1 мкм. Методом энерго-дисперсионной спектроскопии установлено равномерное распределение в агломератах катионов Sr2+ , Ti4+ и Mn4+ . Согласно электронному парамагнитному резонансу и оптической спектроскопии марганец в титан-кислородных полиэдрах Sr 2 Ti 1-xMnxO 4 находится преимущественно в степени окисления 4+. Увеличение концентрации марганца в составе твердых растворах эффективно сужает ширину запрещенной зоны титаната стронция с 3,5 эВ до 2,5 эВ для Sr 2 Ti 0,9 Mn0,1O 4. Анализ каталитических свойств Sr 2 Ti 1-xMnxO 4 осуществляли в реакции окисления гидрохинона при облучении его водных растворов в ультрафиолетовом и видимом спектральных диапазонах. В описанных условиях все фотокатализаторы показали высокую скорость фотоокисления. Установлено, что фотокаталитическая активность Sr 2 Ti 1-xMnxO 4 в 3-х последовательных циклах фотоокисления при ультрафиолетовом стимулировании превосходит коммерческий катализатор Degussa P25 в 4 раза.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):1035-1045
1035-1045
Исследование физико-химических свойств композитов, полученных механохимическим синтезом наноразмерного гидроксиапатита и синтетических цеолитов
Аннотация
В настоящей статье исследованы особенности синтеза и физико-химические свойства композиционного материала на основе осажденного гидроксиапатита и синтетических алюмосиликатных цеолитов. С использованием современных методов анализа аттестованы как полученный композиционный материал, так и индивидуальные компоненты, входящие в его состав. Синтез материала осуществляли путем смешения при одновременном измельчении в вибрационной мельнице синтетического цеолита и гидроксиапатит с последующим отжигом полученной смеси. Методом ИК-спектроскопии уточнены характеристики исходных алюмосиликатных цеолитов и гидроксиапатита, оценено их взаимодействие при механохимическом синтезе и последующей термической обработке полученных на их основе композитов. Рентгенофазовый анализ исходных синтетических цеолитов указывает на потерю адсорбированной и кристаллизационной воды и разложение до сложных алюмосиликатных оксидов кальция и натрия при температурной обработке при 1000°С. Так же было установлено, что, хотя осажденный гидроксиапатит является структурно нестабильным, а его фазовый состав зависит от температуры, поведение полученного на его основе композиционного материала значительно отличается при высокотемпературной обработке. Доказано, что термический отжиг полученного посредством механосинтеза композита при термообработке при 1000°С не приводит к химическому модифицированию структуры гидроксиапатита и образованию нового соединения за счет введения цеолита. Дифференциально-термический анализ показал увеличение стабильности композиционного материала относительно отдельных его составляющих. Морфология исходных материалов и подвергнутых термической обработке изучены с помощью сканирующей электронной микроскопии, показано изменение морфологии при спекании. Наряду с исследованием термической стабильности материалов, была проведена оценка линейной усадки образцов и их микротвердости. Проведенные комплексные исследования позволили рекомендовать композиты на основе осажденного гидроксиапатита, содержащие в своем составе 15 масс.% алюмосиликатных цеолитов в качестве перспективных для дальнейшего изучения материалов, обладающих наилучшими функциональными характеристиками, в том числе прочностными.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):1046-1059
1046-1059
Газочувствительность нанокомпозитов WOx/WS2 при комнатной температуре и ультрафиолетовом облучении
Аннотация
В настоящее время полупроводниковые газовые сенсоры представляют интерес для различных областей применения, включая промышленность, медицину и экологический мониторинг. Одной из наиболее важных задач в сенсорике является уменьшение рабочей температуры устройств. В данной работе для решения этой задачи предложено использовать наноструктуры WOx / WS 2, полученные гидротермальным методом. Исследование морфологии, структуры и состава разработанных наноструктур проводилось с помощью растровой электронной микроскопии, дифракции отраженных электронов и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Показано, что наноструктуры образованы 1 D и 2 D нанообъектами со средней длиной 200 нм и представляют собой нанокомпозиты, состоящие из оксида вольфрама WOx и дисульфида вольфрама WS2 . Проведено исследование сенсорных свойств при воздействии на образцы паров изопропанола, этанола и ацетона при комнатной температуре. Продемонстрировано обратимое изменение сопротивления при появлении в атмосфере указанных газов. Дополнительно воздействие ультрафиолетового облучения в процессе измерений приводит к увеличению величины отклика и быстродействия сенсорных слоев в случае взаимодействия с парами изопропанола и этанола.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):1060-1070
1060-1070
Особенности определения параметров кристаллической решетки из льдоподобных ассоциатов молекул воды при гидратообразовании
Аннотация
В настоящей статье описаны особенности определения энтальпийных характеристик процесса гидратообразования. Описаны аспекты формирования гидратных структур из молекул гидратообразователей и воды. Показано, что процессы образования и диссоциации гидратов имеют различный характер, который определяется взаимодействием гидратообразователя с водой, находящейся в том или ином фазовом состоянии: гидратообразователь - твердая фаза воды - лед, гидратообразователь - жидкая фаза воды, гидратообразователь в критическом (псевдокритическом) состоянии - жидкая фаза воды. Проанализирована зависимость температуры кристаллизации воды от давления и природы гидратообразователя. Описаны энергетические процессы, протекающие при формировании кластеров и элементарных ячеек кристаллических решеток гидратов структур, обусловленные выделением и поглощением тепловой энергии. Предложены зависимости для расчета теплота образования кристаллической решетки из льдоподобных ассоциатов молекул воды. Показано, что процесс перестроения ледяной решетки в гидратную может быть как экзотермическим, так и эндотермическим.
Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2024;(16):1071-1078
1071-1078