Исследование нанообъектов с помощью in silico подходов

Поиски новых материалов, более совершенных по свойствам и структуре, привели физиков к одностенным углеродным нанотрубкам (ОУНТ) — прочным и упругим цилиндрам, толщина стенок которых измеряется миллиардными долями метра — нанометрами. На протяжении последних нескольких десятков лет эти трубки применяются в областях электроники и тканевой биоинженерии. Именно этот материал под руководством заведующей кафедрой радиотехники и электродинамики О.Е. Глуховой изучает магистрант 2 курса Института физики Александр Петрунин. Практическая значимость работы Александра и его коллег состоит в повышении энергоэффективности транзисторов и литий-ионных аккумуляторов. Александр рассказал о деталях in silico исследования и его результатах.

Справка:

Пленарный доклад Александра на студенческой научной конференции — 2022 был посвящён результатам in silico исследования влияния подложки диоксида кремния на электрофизические свойства монослойных плёнок из тонких ОУНТ (монослойная плёнка образована только одним слоем нанотрубок). Исследование проводилось с помощью методов компьютерного моделирования, на применении которых в изучении свойств сложных наноструктур специализируется научная группа профессора О.Е. Глуховой. Благодаря квантово-механическому моделированию учёные способны осуществить прогностическое исследование новых свойств наноструктур и предсказать перспективы их применения.

Первый шаг в науку Александр Петрунин сделал на 1 курсе бакалавриата, когда решил участвовать в IV Международном фестивале науки «Micro- and nanotechnology: research and applications. The science festival for young scholars». Затем молодой пытливый исследователь начал работать со своим научным руководителем, профессором О.Е. Глуховой, и стал самостоятельно проводить первые численные исследования атомного строения и свойств перспективных наноструктур. «Хотелось бы сделать какое-нибудь открытие, которое прозвучало бы на весь мир», — говорит Александр.

7 ВОПРОСОВ АЛЕКСАНДРУ ПЕТРУНИНУ, МОЛОДОМУ ФИЗИКУ

1.

— Что такое нанотрубки и где мы их можем встретить в жизни?

— Нанотрубки — это углеродный объект, по сути, самые настоящие трубки, только образованные атомной сеткой. Они уже около 30 лет используются для создания электронных компонентов микро- и наноустройств современной электроники. Нанотрубки довольно часто используются в СВЧ-детекторах, которые вы можете встретить в сложных комплексах СВЧ-оборудования. Какие у них свойства? Они высокопроводящие, у них низкое сопротивление, их можно использовать в качестве транзисторов. Транзисторы — это основа всего, что нас окружает в этом мире. Например, процессор в компьютере — это большое количество транзисторов — электронных ключевых элементов. Соответственно, чтобы увеличить мощность процессоров, нужно изучать нанообъекты. У них лучше энергоэффективность и меньше тепловыделение, а значит, они позволяют улучшить большинство электронных устройств. Нанотрубки применяются и в медицине. Ольга Евгеньевна Глухова совместно с Сеченовским университетом разрабатывает основу имплантов для сердца и суставов.

2.

— Как синтезируют нанотрубки?

— Их синтезируют обычно с помощью термического распыления графитового стержня под высокими температурой и давлением. Полученный газ, содержащий атомы углерода, загоняется в камеру, в которой охлаждается на стенках. Охлаждаясь, атомы углерода выстраиваются в гексагональные ячейки, образуя углеродные трубки, графеновые слои и фуллерены. Почему именно гексагональные? Потому, что это энергетически выгодно для этого типа атомов. Нанотрубки, в частности, синтезируются в нашем университете, а также в Новосибирске и Москве.

3.

— Как вы моделируете нанообъекты?

— Мы проводим моделирование с помощью программного комплекса «KVAZAR-View». Его разработка начата научным руководителем Ольгой Евгеньевной Глуховой более двадцати лет назад. Далее работа была продолжена усилиями сотрудников кафедры радиотехники и электродинамики и отдела математического моделирования Образовательно-научного института наноструктур и биосистем. Я также принял участие, по мере моих сил и знаний в этом направлении. Например, здесь (Александр выводит на экран монитора атомистическую модель) изображён материал диоксида олова как основа газового сенсора, чувствительного, в частности, к этанолу. В этом исследовании мы сотрудничаем с коллегами из СГТУ имени Гагарина Ю.А. и учёными из Сербии: они занимаются практикой, мы занимаемся расчётами — теоретической частью. Программно-вычислительный комплекс «KVAZAR» позволяет проводить расчёт с помощью молекулярной динамики.

4.

— Каковы возможности программного комплекса «KVAZAR» и как он помогает в вашем исследовании?

— «KVAZAR» моделирует физические свойства наноструктур методом классической молекулярной динамики, описываемой уравнениями движения Ньютона. При этом комплекс может использовать и квантовые методы, позволяя решать уравнение Шрёдингера. На основе решения этого уравнения удаётся понять, как распределяются электроны по энергетическим уровням. Соответственно, мы можем найти проводимость и ёмкость — те самые величины, которые нам нужны для создания практических образцов.

5.

— Чем отличаются свойства нанотрубок разного типа?

— Выделяют три основных типа углеродных нанотрубок: «кресло», «зигзаг» и хиральные трубки. Они отличаются строением и в зависимости от типа трубки меняют все свойства материала. Хиральные трубки имеют закрученную структуру и обычно являются диэлектриками. Трубки типа «кресло», которые используются в нашем исследовании, высокопроводящие, у них очень низкое сопротивление. Трубки типа «зигзаг» — это чаще всего полупроводники. Они обычно используются для создания транзисторов или диодов.

6.

— Каковы результаты вашего исследования?

— Нам удалось выяснить, что использование композита плёнок из однослойных углеродных нанотрубок с диоксидом кремния вместо «чистых» плёнок ОУНТ повышает эффективность литий-ионных аккумуляторов. Подложка диоксида кремния увеличивает квантовую ёмкость тонких плёнок из углеродных нанотрубок до 2,2 раза. До этого считалось, что диэлектрическая подложка не может влиять на протекание тока по самим углеродным трубкам. Мы доказали, что это не так, что на самом деле электрофизические свойства углеродных плёнок во многом зависят от подложки, и это надо учитывать при производстве готовых электронных компонентов.

Увеличение квантовой ёмкости означает, что увеличится и общая ёмкость материала — важный параметр в работе литий-ионных аккумуляторов в наших телефонах, пауэрбанках и других устройствах, работающих на аккумуляторах. Он влияет на то, насколько долго будет работать наша техника.

Кроме того, мы определили, что подложка диоксида кремния в зависимости от пространственной группы симметрии может увеличивать сопротивление на 10–17% или, наоборот, уменьшать на 2–7%. Во многом это связано с тем, что кислород сильно влияет на углерод: он хочет с ним образовать валентную связь, и из-за этого происходит перераспределение электронов в структуре.

7.

— Какие теперь задачи стоят перед вами?

— Вместо подложки из диоксида кремния мы вместе с нашими коллегами из Москвы будем использовать кремниевую подложку. Кроме того, сейчас мы вместе с учёными Института химии СГУ исследуем фосфаты в качестве материала для литий-ионных аккумуляторов и конденсаторов. Мы повышаем их энергоэффективность, армируя их с помощью графена и тем самым укрепляя их.

Материалы «Наукограда» об исследованиях углеродных нанотрубок учёными СГУ:

«Оптимальный материал»

«"Электронный нос" нового поколения»

Подготовила Полина Громова

#наукабудущего #наукамолодых #медиакод