Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Развитие нового поколения нанотехнологий самоорганизации функциональных материалов

Отношение к критическим технологиям:
-


Контактная информация

ФИО пользователя
Безносюк Сергей Александрович


Почтовый адрес
,


ФИО руководителя проекта:
Безносюк Сергей Александрович


Аннотация проекта

Постановка и описание научной или научно-технической проблемы, решаемой в рамках Проекта
Проект направлен на решение актуальной проблемы мировой фундаментальной науки – разработку нового поколения нанотехнологий для создания функциональных материалов с высокими характеристиками на основе управляемых процессов самосборки и самоорганизации неравновесных наносистем. В области разработки и создания наноразмерных и наноструктурных функциональных материалов данный проект направлен на решение актуальной проблемы исследования принципов управления нанотехнологическими процессами, в частности, такими как самосборка наночастиц и их самоорганизации в функциональные наноматериалы. Наличие такой проблемы было обнаружено на практике при разработке нанотехнологий производства и управления наноэлементами микросистем в критической области их линейных размеров близких к 10 нм. Неустойчивость, сверхбыстрая фемтосекундная изменчивость их химического состава, формы, размера, структуры электронных связей выявили критическое для нанотехнологий свойство – неравновесную трансформерность наночастиц в матрице конденсированного состояния. Происхождение этой проблемы коренится в том, что хорошо известные закономерности протекания классических процессов на макроскопическом уровне материалов и квантовых процессов на атомно-молекулярном уровне микромира являются двумя предельными случаями сложных и до конца ещё не познанных закономерностей фундаментальных процессов корпоративного движения квантово-размерных частиц уровня наномира. Важная для эффективного управления слитность протекания многоуровневых неравновесных процессов в наноматериалах обеспечивается контролем за доминантами их движения на базовом наноуровне – процессами самосборки квантово-размерных наночастиц и самоорганизации их "запутанного" корпоративного движения.


Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым
Известно, что наноструктурирование приводит к существенным изменениям функциональных взаимосвязей многоуровневых структурных элементов и позволяет значительно повысить служебные свойства материалов. Однако использование традиционных подходов не позволяет достичь желаемого уровня прецизионности формирования и устойчивости наноскопических элементов. Для разработки таких многоуровневых подходов необходимо развитие нового междисциплинарного направления, позволяющего объединить последние фундаментальные достижения информационных технологий, физики, химии и механики. В связи с этим сильно неравновесные состояния наноструктур, их квантово-размерные эффекты стали интенсивно изучаться в междисциплинарной области фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований. Предварительные результаты этих исследований позволяют говорить о реальной основе революционных изменений в науке о материалах. Однако в настоящее время у большинства исследовательских групп в мире нет единой концепции управления неравновесными процессами наноструктурирования материалов с заранее заданными параметрами и свойствами. Этому во многом способствует сложившаяся ошибочная точка зрения, что закономерности процессов наноуровня лишь смесь закономерностей атомно-молекулярного микроуровня (квантовые законы) и макроуровня (классические законы). Такой подход не продуктивен, так как не обеспечивает поиска систематизированной теоретической основы для последовательного рассмотрения вопроса об единых принципах организации контроля и управления неравновесными наносистемами, их самосборкой и самоорганизацией. У предлагаемого проекта искомая конструктивная основа есть – концепция термополевой динамики и квантово-полевой химии конденсированного состояния, которая развивается в последние 20 лет, как раздел современной квантовой электродинамики наноматериалов. Эта концепция, на наш взгляд, является существенной для понимания важности и сложности принципов организации управления инструментами классического макроуровня и квантового атомно-молекулярного микромира эволюционной доминантой в наноматериалах – процессами неравновесной самоорганизации конечных в пространстве и времени жизни составных наночастиц. Согласно этой концепции закономерности во многом случайных процессов микромира и макромира являются, в сущности, двумя упрощенными асимптотиками сложных алгоритмических закономерностей процессов, происходящих на «промежуточном» для них фундаментальном уровне наномира. Слитность протекания многоуровневых процессов обеспечивается существованием базовых процессов в наномире. Пока сравнивать ожидаемые результаты нашего проекта с результатами работ других авторов весьма затруднительно. В мире, на наш взгляд, имелась значительная недооценка вопроса управления наносистемными неравновесными процессами. К настоящему моменту известны лишь разрозненные примеры целенаправленного управления процессами выращивания фуллеренов, нанотубов углерода, квантовых точек. Имеется экспериментальный материал по управлению процессами самоорганизации в области супрамолекулярных систем макромолекул, поддающийся толкованию на основе «эмпирических» принципов супрамолекулярной химии типа «ключ-замок» , «свой-чужой». и тп. Осознание роли теории управления нанопроцессами быстро наступает в связи с неудачами в экспериментальных нанотехнологиях получить с высоким выходом гарантированного качества элементарные наносистемы, такие, например, как нанодиоды, нанотранзисторы для электроники и наногетероструктуры для спинтроники с критическими размерами около 10 нанометров. В настоящее время за рубежом идут огромные вложения именно в этом сегмент фундаментальных знаний. Эффективность этих вложений покажет важность теории управления неравновесными нанопроцессами, в полной мере, спустя два-три года. Эффективность таких нанотехнологий возможно будет проверить в области разработки перспективных наноразмерных и наноструктурированных материалов, например, графеновых материалов, функциональных магнитных наночастиц переходных 3d-металлов, наносистемах адаптивных материалов и покрытий, нанокатализа, спинтроники, наногелей углерода, аморфных фаз льда. Эти вопросы энергично разрабатываются в экспериментальном плане, но, пока в области компьютерного моделирования управления процессами наносинтеза этих перспективных материалов, в частности, мультиструктурного наноинжиниринга точки роста только формируются.


Новизна подхода в решении обозначенной проблемы
Степень новизны данного подхода высокая. В данной работе впервые в мире были достигнуты нижеследующие результаты. 1.Развит последовательный подход на основе формализма матриц плотности к описанию многоуровневых и многовременных корпоративных наноструктур, возникающих в результате процессинга неравновесных наносистем функциональных материалов. 2.Предложена компьютерная модель неравновесной стохастической динамики наночастиц, учитывающая эффекты дискретной во времени фемтосекундной диссипации энергии, процессы самоорганизации наноструктур и численные критерии для анализа изменений этих структур. 3.Теоретически установлено влияние таких физико-химических параметров, как состав, размер, начальное строение, тип решетки на процессы самоорганизации наночастиц железа, никеля и серебра, а также на структурные и морфологические особенности их стационарных состояний в аттракторах. 4.Рассчитаны пространственные и временные характеристики деформационных неоднородностей на поверхности графеновых монослоев при диссипативной фемтосекундной самоорганизации. 5.Развита учитывающая спиновую и температурную зависимость контактных обменных взаимодействий атомов компьютерная модель сорбции бирадикалов водорода на внутренней и внешней поверхностях нанотрубки углерода. 6.Разработаны компьютерные модели регулярной и стохастической самосборки бирадикального водородного адсорбата на поверхностях нанотрубки углерода с последующей самоорганизацией водородных наноструктур. 7.Рассчитаны энергии образования бирадикальных сорбатов водорода на одностенных нанотрубках углерода при различных температурах, концентрациях водорода и начальных конфигурациях бирадикалов. Показана достижимость высокоэффективной сорбции водорода (7,7 и 14,3 мас. %) в нанотрубках углерода малого диаметра. 8.Установлены физико-химические зависимости влияния концентрации водорода, температуры на устойчивость адсорбата в модели регулярной или хаотической посадки бирадикалов водорода на внутренней и внешней поверхностях углеродной нанотрубки. Сопоставление полученных результатов с мировым уровнем: В мировых изданиях отсутствует обобщённое теоретического описания процессов самосборки и самоорганизации активированных входе процессинга наносистем. Развитый нами в описании многоуровневых и многовременных корпоративных наноструктур метод матриц плотности является наиболее общим теоретическим подходом. Предложеная и развитая нами компьютерная модель неравновесной стохастической динамики наночастиц, учитывающая эффекты дискретной во времени фемтосекундной диссипации энергии, процессы самоорганизации наноструктур и численные критерии для анализа изменений этих структур, является абсолютно оригинальной. В мире имеется много работ, в которых наносистемы имитируются с использованием модельных компьютерных алгоритмов классического метода молекулярной динамики. Однако за рамками применимости этого стандартного подхода остаются задачи описания сверхбыстрых неадиабатических фемтосекундных процессов квантовой нанодинамики, лежащих в основе явлений самосборки и самоорганизации активированных неравновесных наносистем. В нанодинамике активированных неравновесных наночастиц существует внутренний фемтосекундный ритм диссипации энергии. Время жизни диссипативных каналов составляет порядка 1 фс, а их протяженность – порядка 10 нм. В данной работе разработаны оригинальные методики расчета ритма диссипации энергии наносистем, играющего существенную роль в характере протекания процессинга наносистем. Отметим, что формально стандартные фемтосекундные шаги по времени используется и в методах молекулярной динамики. Однако, они задают длительность адиабатического движения в противоположном к диссипативной нанодинамике пределе tna → 0. При этом время жизни диссипативных процессов принята равной нулю и ее физический механизм не конкретизируется. В данной работе рассмотрена компьютерная имитация неадиабатической (диссипативной) самоорганизации активированных нанокластеров металлов (никель, железо, кобальт, марганец, титан, серебро и др.) важных в нанохимии. Теоретически установлено влияние таких физико-химических параметров, как состав, размер, начальное строение, тип решетки на процессы самоорганизации наночастиц, а также на структурные и морфологические особенности их стационарных состояний в аттракторах. Эти результаты не имеют аналогов в мире. В работе рассмотрена компьютерная имитация неадиабатической (диссипативной) самоорганизации активированного нанослоя свободного графена. Полученные температурные зависимости для рельефа нанослоя свободного графена хорошо согласуются с результатами экспериментов и расчётами методом Монте-Карло, учитывающим также стохастический характер смещений атомов углерода в графене. Рассчитаные пространственные и временные характеристики деформационных неоднородностей на поверхности графеновых монослоев при диссипативной фемтосекундной самоорганизации являются, вместе с тем уникальными результатами. 5.Развита учитывающая спиновую и температурную зависимость контактных обменных взаимодействий атомов компьютерная модель сорбции бирадикалов водорода на внутренней и внешней поверхностях нанотрубки углерода. 6.Разработаны компьютерные модели регулярной и стохастической самосборки бирадикального водородного адсорбата на поверхностях нанотрубки углерода с последующей самоорганизацией водородных наноструктур. 7.Рассчитаны энергии образования бирадикальных сорбатов водорода на одностенных нанотрубках углерода при различных температурах, концентрациях водорода и начальных конфигурациях бирадикалов. Показана достижимость высокоэффективной сорбции водорода (7,7 и 14,3 мас. %) в нанотрубках углерода малого диаметра. 8.Установлены физико-химические зависимости влияния концентрации водорода, температуры на устойчивость адсорбата в модели регулярной или хаотической посадки бирадикалов водорода на внутренней и внешней поверхностях углеродной нанотрубки. Известно, что наноструктурирование приводит к существенным изменениям функциональных взаимосвязей многоуровневых структурных элементов и позволяет значительно повысить служебные свойства материалов. Однако использование традиционных подходов не позволяет достичь желаемого уровня прецизионности формирования и устойчивости наноскопических элементов. Для разработки таких многоуровневых подходов необходимо развитие нового междисциплинарного направления, позволяющего объединить последние фундаментальные достижения информационных технологий, физики, химии и механики. В связи с этим сильно неравновесные состояния наноструктур, их квантово-размерные эффекты стали интенсивно изучаться в междисциплинарной области фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований. Предварительные результаты этих исследований позволяют говорить о реальной основе революционных изменений в науке о материалах. Однако в настоящее время у большинства исследовательских групп в мире нет единой концепции управления неравновесными процессами наноструктурирования материалов с заранее заданными параметрами и свойствами. Этому во многом способствует сложившаяся ошибочная точка зрения, что закономерности процессов наноуровня лишь смесь закономерностей атомно-молекулярного микроуровня (квантовые законы) и макроуровня (классические законы). Такой подход не продуктивен, так как не обеспечивает поиска систематизированной теоретической основы для последовательного рассмотрения вопроса об единых принципах организации контроля и управления неравновесными наносистемами, их самосборкой и самоорганизацией. У предлагаемого проекта искомая конструктивная основа есть – концепция термополевой динамики и квантово-полевой химии конденсированного состояния, которая развивается в последние 20 лет, как раздел современной квантовой электродинамики наноматериалов. Эта концепция, на наш взгляд, является существенной для понимания важности и сложности принципов организации управления инструментами классического макроуровня и квантового атомно-молекулярного микромира эволюционной доминантой в наноматериалах – процессами неравновесной самоорганизации конечных в пространстве и времени жизни составных наночастиц. Согласно этой концепции закономерности во многом случайных процессов микромира и макромира являются, в сущности, двумя упрощенными асимптотиками сложных алгоритмических закономерностей процессов, происходящих на «промежуточном» для них фундаментальном уровне наномира. Слитность протекания многоуровневых процессов обеспечивается существованием базовых процессов в наномире. Пока сравнивать ожидаемые результаты нашего проекта с результатами работ других авторов весьма затруднительно. В мире, на наш взгляд, имелась значительная недооценка вопроса управления наносистемными неравновесными процессами. К настоящему моменту известны лишь разрозненные примеры целенаправленного управления процессами выращивания фуллеренов, нанотубов углерода, квантовых точек. Имеется экспериментальный материал по управлению процессами самоорганизации в области супрамолекулярных систем макромолекул, поддающийся толкованию на основе «эмпирических» принципов супрамолекулярной химии типа «ключ-замок» , «свой-чужой». и тп. Осознание роли теории управления нанопроцессами быстро наступает в связи с неудачами в экспериментальных нанотехнологиях получить с высоким выходом гарантированного качества элементарные наносистемы, такие, например, как нанодиоды, нанотранзисторы для электроники и наногетероструктуры для спинтроники с критическими размерами около 10 нанометров. В настоящее время за рубежом идут огромные вложения именно в этом сегмент фундаментальных знаний. Эффективность этих вложений покажет важность теории управления неравновесными нанопроцессами, в полной мере, спустя два-три года. Эффективность таких нанотехнологий возможно будет проверить в области разработки перспективных наноразмерных и наноструктурированных материалов, например, графеновых материалов, функциональных магнитных наночастиц переходных 3d-металлов, наносистемах адаптивных материалов и покрытий, нанокатализа, спинтроники, наногелей углерода, аморфных фаз льда. Эти вопросы энергично разрабатываются в экспериментальном плане, но, пока в области компьютерного моделирования управления процессами наносинтеза этих перспективных материалов, в частности, мультиструктурного наноинжиниринга точки роста только формируются. В настоящее время в ведущих научно-исследовательских коллективах ставятся задачи разработки нанотехнологий второго поколения, выполняющих в реальном времени (in situ) процессинг многоуровневых неравновесных наносистем материалов. Они включают в себя множество корпоративно действующих квантовых наноэлементов, размеры которых порядка 10 нм. Такие «критические» квантово-размерные наночастицы по физико-химическим и информационным свойствам оказались «равноудалёнными», как от атомных квантовых систем, так и от микроскопических классических систем. Процессинг этих корпоративных наносистем в природе происходит на основе принципов квантово-запутанных самосборок и самоорганизаций. Предположительно, именно такие наносистемы лежат в основе сложных биоэлементов. Это – наномембраны, ферменты, водородные топливные наноэлементы биомиметических материалов. На основе компьютерных нанотехнологий процессинга второго поколения будут создаваться квантовые компьютеры. Именно необходимость процессинга нанобиомиметических систем и квантового компьютинга определяет потребность в наноинжиниринге, использующим наносистемные инструменты, устройства и нанороботы при переработке материалов. В настоящее время подходы к решению этой проблемы лишь намечаются. В данном исследовании был разработан ряд научно-методических подходов и методов компьютерной имимтации нанотехнологических процессов самосборки активных наночастиц и их самоорганизации в функциональных наноматериалы нового поколения. Известно, что наноструктурирование приводит к существенным изменениям функциональных взаимосвязей многоуровневых структурных элементов и позволяет значительно повысить служебные свойства материалов. Однако использование традиционных подходов не позволяет достичь желаемого уровня прецизионности формирования и устойчивости наноскопических элементов. Для разработки таких многоуровневых подходов необходимо развитие нового междисциплинарного направления, позволяющего объединить последние фундаментальные достижения информационных технологий, физики, химии и механики. В связи с этим сильно неравновесные состояния наноструктур, их квантово-размерные эффекты стали интенсивно изучаться в междисциплинарной области фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований. Предварительные результаты этих исследований позволяют говорить о реальной основе революционных изменений в науке о материалах. Однако в настоящее время у большинства исследовательских групп в мире нет единой концепции управления неравновесными процессами наноструктурирования материалов с заранее заданными параметрами и свойствами. Этому во многом способствует сложившаяся ошибочная точка зрения, что закономерности процессов наноуровня лишь смесь закономерностей атомно-молекулярного микроуровня (квантовые законы) и макроуровня (классические законы). Такой подход не продуктивен, так как не обеспечивает поиска систематизированной теоретической основы для последовательного рассмотрения вопроса об единых принципах организации контроля и управления неравновесными наносистемами, их самосборкой и самоорганизацией. У предлагаемого проекта искомая конструктивная основа есть – концепция термополевой динамики и квантово-полевой химии конденсированного состояния, которая развивается в последние 20 лет, как раздел современной квантовой электродинамики наноматериалов. Эта концепция, на наш взгляд, является существенной для понимания важности и сложности принципов организации управления инструментами классического макроуровня и квантового атомно-молекулярного микромира эволюционной доминантой в наноматериалах – процессами неравновесной самоорганизации конечных в пространстве и времени жизни составных наночастиц. Согласно этой концепции закономерности во многом случайных процессов микромира и макромира являются, в сущности, двумя упрощенными асимптотиками сложных алгоритмических закономерностей процессов, происходящих на «промежуточном» для них фундаментальном уровне наномира. Слитность протекания многоуровневых процессов обеспечивается существованием базовых процессов в наномире. Пока сравнивать ожидаемые результаты нашего проекта с результатами работ других авторов весьма затруднительно. В мире, на наш взгляд, имелась значительная недооценка вопроса управления наносистемными неравновесными процессами. К настоящему моменту известны лишь разрозненные примеры целенаправленного управления процессами выращивания фуллеренов, нанотубов углерода, квантовых точек. Имеется экспериментальный материал по управлению процессами самоорганизации в области супрамолекулярных систем макромолекул, поддающийся толкованию на основе «эмпирических» принципов супрамолекулярной химии типа «ключ-замок» , «свой-чужой». и тп. Осознание роли теории управления нанопроцессами быстро наступает в связи с неудачами в экспериментальных нанотехнологиях получить с высоким выходом гарантированного качества элементарные наносистемы, такие, например, как нанодиоды, нанотранзисторы для электроники и наногетероструктуры для спинтроники с критическими размерами около 10 нанометров. В настоящее время за рубежом идут огромные вложения именно в этом сегмент фундаментальных знаний. Эффективность этих вложений покажет важность теории управления неравновесными нанопроцессами, в полной мере, спустя два-три года. Эффективность таких нанотехнологий возможно будет проверить в области разработки перспективных наноразмерных и наноструктурированных материалов, например, графеновых материалов, функциональных магнитных наночастиц переходных 3d-металлов, наносистемах адаптивных материалов и покрытий, нанокатализа, спинтроники, наногелей углерода, аморфных фаз льда. Эти вопросы энергично разрабатываются в экспериментальном плане, но, пока в области компьютерного моделирования управления процессами наносинтеза этих перспективных материалов, в частности, мультиструктурного наноинжиниринга точки роста только формируются.


Описание области применения результатов научно-исследовательской работы
Научным коллективом за отчётный период были получены важнейшие результаты, которые перечислены ниже. 1. Показано, что, используя формализм матриц плотности, можно развить последовательный подход к описанию многоуровневых и многовременных корпоративных наноструктур, возникающих в результате процессинга неравновесных наносистем функциональных материалов. Корпоративная иерахия наносистем принципиально отличается от динамической коррелированности движения как квантовых, так и классических систем частиц в лабораторном пространстве-времени наблюдателя. В корпоративных наноструктурах неравновесная квантовая система активирует дополнительные (скрытые) квантовые степени свободы корпоративного запутывания и распутывания её элементов. Эти степени свободы активной наносистемы иерархически разделяются на внутренние и внешние: внутренние переменные "запутывания-распутывания" её собственных квантовых элементов и внешние переменные её "запутывания-распутывания" с внешними наносистемами в нанокорпорации. При этом вхождение в состав корпоративного роя более высокого уровня предопределяет возможность протекания у составной наночастицы внутренних системных процессов квантовой "когеренции-декогеренции", переводящие её в чистые и смешанные квантовые состояния различного типа. В результате процессов объединения и распада квантовых составных наночастиц возникает квантово-запутанный процессинг корпоративных неравновесных наносистем функциональных материалов. 2. Разработан программный пакет «Компьютерный наноинжиниринг», предназначенный для компьютерных имитаций управления неравновесными процессами самосборки и самоорганизации квантово-размерных наносистем материалов с заданными параметрами: химическим составом, морфологией (размер, фрактальная размерность, пористость, форма), структурой и типом межатомных взаимодействий. В данном пакете были алгоритмизированы разработанные ранее методы многовременного и многоуровневого моделирования квантовой диссипативной динамики неравновесных наносистем. Пакет получил государственную регистрацию: Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010612461 от 07.04.2010 г. «Компьютерный наноинжиниринг". (авторы: С.А.Безносюк, М.С.Жуковский, С.В. Важенин). 3. При исследовании структуры потенциальной поверхности малых наночастиц никеля обнаружен эффект «трансформенности», заключающийся в существовании нескольких практически вырожденных энергетически, но неэквивалентных по строению локальных аттракторов в конфигурационных пространствах этих систем. Показано, что самоорганизация кубических наночастиц никеля с гранью (100) в условиях низких и умеренных температур ведет к формированию сложных, близких к додекаэдрическим, конечных форм с квазикристаллическим строением. Разрушение дальнего порядка и формирование сфероидных конечных форм металлических наночастиц требует высокотемпературного режима эволюции. 4. Найдена закономерность к повышению устойчивости нормальной кубической формы ГЦК наночастиц против квазикристаллической формы кубоида с уменьшением отношения энергии связи к атомной массе элемента. В частности, в режиме стохастической фемтосекундной нанодинамики для активированных наночастиц серебра получено отсутствие перехода типа «куб → кубоид» для любых нуклеарностей в широком температурном диапазоне, в отличие от более прочносвязанных и/или легких металлов (никель). 5. Показано, что в режиме фемтосекундной нанодинамики самоорганизация кубических нанокластеров никеля носит по существу бифуркационый характер. При одном и том же начальном неравновесном нестационарном состоянии конечное стационарное неравновесное состояние в эволюции выбирается из набора возможных локальных аттракторов в значительной степени неконтролируемой случайностью. При этом имеется большая вероятность закрепления системы в метастабильных ловушках. 6. Найдено решающее влияние типа атомной упаковки на характер структурной реорганизации наночастиц металлов. В рамках модели нанодинамики показано, что ОЦК наночастицы железа с гранью (100) организуются иным способом, нежели ГЦК наночастицы никеля, причем набор доступных неэквивалентных аттракторов у железа оказывается беднее. В работе также показаны отличия в локализации во времени процессов однородного изменения объема и неоднородных деформаций поверхности в случае железа и никеля. Введен коэффициент, позволяющий отделять процессы нарушения упорядоченности структуры от процессов, не изменяющих относительный порядок расположения атомов. 7. Для наноскопических монослоев графена оценены пространственные масштабы структурных неоднородностей. Найдено хорошее соответствие эксперименту в отношении линейной протяженности поверхностных волн. Модель дает несколько заниженные значения высот нормальных отклонений, что, очевидно, указывает на значительную роль иного механизма их формирования, чем принятый в модели нанодинамики. 8. Показано, что на основе механизма неравновесной сорбции каталитически активированных бирадикалов водорода нанотубулярным углеродом возможно достижение высокой обратимой сорбционной емкости от 7.7масс % до 14.3 масс. % по водороду. 9. Показано, что с ростом температуры от криогенных (77 К) до нормальных (293 К) температур устойчивость сорбата бирадикалов водорода уменьшается независимо от содержания водорода и регулярного/хаотического характера самосборки на внешней или внутренней поверхностях наноуглерода. 10. Показано, что начальные режимы регулярной или стохастической самосборки активированнных бирадикалов водорода на внешних и на внутренних поверхностях углеродного нанотубулена в диапазоне до 15% массовых концентраций по водороду формируют при их самоорганизации различные по топологии стационарные распределения водородного адсорбата с энергиями сорбции от 15 кДж/моль до 150 кДж/моль. 11. Выявлено существование обратимых высокоёмких сорбатов бирадикалов водорода при нормальных условиях в четырех случаях режимов самосборки: регулярной снаружи (~ 14%), регулярной внутри (~ 14%), стохастической снаружи (~ 14%), и стохастической внутри (~ 8 %) одностенной нанотрубки с энергией адсорбции менее 35 кДж/моль. 12. Выявлено существенное различие процессов самоорганизации для начальных режимов стохастической самосборки на внешней и внутренней поверхности нанотрубки. На внешней поверхности бирадикалы водорода распределяются стохастически однородно, а на внутренних поверхностях стохастически неоднородно, концентрируясь в области концов нанотрубки углерода. При этом в области 7.7 масс. % стационарное неравновесное состояние адсорбата би-радикалов водорода имеет при нормальных условиях, соответственно, наибольшую и наименьшую энергию сорбции. 13. Обнаружено, что стабилизация марганцем двухкомпонентных систем A3B5 слабо зависит от компонента A3, который замещается марганцем. Она составляет 10 кДж/моль на атом в случае мышьяка и 9 кДж/моль на атом в случае фосфора. 14. Показано, что в случае тройных соединений A2B4C52 , содержащих мышьяк замена цинка на кадмий в подрешётке A2 ослабляет эффект стабилизации от введения атомов марганца в подрешётку катионов двухвалентных металлов: 9 кДж/моль на атом в случае цинка и 6 кДж/моль на атом в случае кадмия, соответственно 15. Выявлено, что в случае тройных соединений A2B4C52 , содержащих мышьяк замена кремния на германий в подрешётке B4 не влияет на эффект стабилизации от введения атомов марганца в подрешётку A2 атомов двухвалентных металлов: 9 кДж/моль на атом в случае цинка (ZnSiAs2 и ZnGeAs2), а также 6 кДж/моль на атом в случае кадмия (CdSiAs2 и CdGeAs2), соответственно. 16. Обнаружено, что в случае тройных соединений A2B4C52 , содержащих фосфор, замена цинка на марганец даёт сильный эффект стабилизации (53 кДж/моль на атом), тогда как, в случае кадмия этот эффект мал (6 кДж/моль на атом). Большой эффект стабилизации при допировании марганцем соединения ZnGeP2 обусловлен наибольшей разницей сильного потенциала взаимодействия в атомных парах Mn-P по сравнению с атомными парами Zn-P и наибольшей компактностью элементарной ячейки соединения ZnGeP2 в ряду исследованных полупроводников. 17. Выявлено, что структура исходных матриц A3B5 , A2B4C52 слабо искажается одиночными атомами марганца в позициях замещения ими катионов атомов типа A3 и A2 , что согласуется с экспериментом. 18. Показано, что в состав активированных квантово-размерных атомов водорода помимо ядра n и одиночного электрона е- входят составные бозоны роевых пар электронов (е-е+). Равновесный диаметр активированного квантово-размерного Н-атома составляет 0.32 нм с энергией связи 26 кДж/моль относительно изолированного инфинитного Н-атома, имеющего «касп» распределения электронной плотности на ядре и экспоненциально убывающую плотность заряда электрона на бесконечности. Показано, что финитный Н-атом имеет линейный размер и энергию водородной связи близкие к типичным для металлогидридов. Методы и подходы, использованные в ходе выполнения проекта (описать, уделив особое внимание степени оригинальности и новизны): Разработка фундаментальных научных основ наноинжиниринга нового поколения, включающего в себя структурированное знание квантовых механизмов измерения, контроля и управления неравновесными самособирающимися и самоорганизующимися наносистемами функциональных материалов, потребовало использования методов теории физики конденсированного состояния. С учётом особенностей многоуровнего строения наносистем материалов описание в данном проекте строилось на основе оригинального использования различных методик в рамках метода матриц плотности. В результате выполнения исследований нами были сформулированы основные принципы и подходы в компьютерных имитациях наносистемного инжиниринга для синтеза наноматериалов в критической области линейных размеров активных наночастиц (менее 10 нм) на основе теории матриц плотности. Дальнейшее развитие теории в данной области потребовало оригинального использования формализма матриц плотности при описании механизмов протекания квантово-запутанных фемтосекундных процессов в случае неравновесных наносистем материалов. Были систематизированы концептуальные возможности метода матриц плотности с целью реализации последовательного построения математической модели движения неравновесных наносистем материалов в квантово-запутанных состояниях. Это, впервые, позволило определить пути реализации высокоскоростного фемтосекундного измерения, контроля, управления самосборкой и самоорганизацией адаптивных наносистем функциональных материалов. Актуальность изучения сверхбыстрых процессов в наноструктурированной конденсированной среде с учётом современных тенденций развития экспериментальной субфемтосекундной лазерной спектроскопии, задало новое направление развития теоретических методов. Особый интерес представляют задачи описания сверхбыстрых процессов чередования стадий неадиабатичности и адиабатичности наносистем, обусловливающих появление характерного фемтосекундного временного ритма в эволюции неравновесных наночастиц. Адекватность описания неравновесной динамики наносистем потребовала использования при компьютерном моделировании новых подходов, рубежных между известными методами квантовой химии активированных молекул и методами молекулярной динамики неравновесных микрочастиц. Фундаментальные подходы нанодинамики неравновесных наносистем должны были отражать особенности чередования стадий неадиабатичности («активированных молекул») и адиабатичности («неустойчивых микросистем»). В связи с этим, нами был разработан оригинальный метод компьютерной имитации нанодинамики активированных неравновесных частиц, который был положен в основу алгоритмов компьютерных моделей программного комплекса «Компьютерный наноинжиниринг». Особенность развитого нами метода стохастической нанодинамики состоит в следующем. Неравновесная наночастица конденсированного состояния включает сотни и тысячи атомов, квантовое движение которых имеет схожесть, как с квантовой динамикой молекулы в процессах ее активированного движения в зоне химической реакции, так и с классической динамикой микрочастицы в зоне фазового превращения. Адекватность описания неравновесной нанодинамики требует использования при компьютерном моделировании подходов рубежных между известными методами квантовой химии активированных молекул и методами молекулярной динамики неравновесных микрочастиц. Известно, что квантовая химия активированных молекул далеких от равновесных стационарных состояний требует учета эффектов неадиабатичности в решении временного квантово-динамического уравнения Шредингера. Напротив, классический метод молекулярной динамики неравновесных микрочастиц базируется на пренебрежении этими эффектами и на учёте только классической ньютоновской динамики ядер в адиабатическом силовом поле электронной компоненты. Таким образом, фундаментальные подходы нанодинамики неравновесных наносистем должны учитывать особенности предельных случаев квантовой химии активированных молекул и классической молекулярной динамики неравновесных микрочастиц. Построение нанодинамики является одной из самых актуальных проблем в физической химии неравновесных наносистем. В данной работе для построения нового метода компьютерного моделирования неравновесной нанодинамики использован гибридный подход квантовой химии молекул и молекулярной динамики микрочастиц. В нанодинамике нами введено стохастическое «квантование» времени неравновесного процесса стадиями неадиабатичности и адиабатичности движения. Гибридность стохастической квантовой нанодинамики проявляется в том, что время неравновесного процесса наносистемы разбивается на чередование интервалов (квантов) времени неадиабатичного tna и адиабатичного ta движения. На интервалах времени ta имеет место классическая динамика ядер в адиабатическом силовом поле электронной компоненты метода молекулярной динамики. На интервалах времени tna имеет место квантовая динамика ядер в адиабатическом силовом поле электронной компоненты с добавкой стохастического квантового электрического силового поля заряженной компоненты среды, участвующей в неадиабатических (тепловых) процессах обмена энергией с наночастицей. Время жизни диссипативных каналов составляет порядка 1 фс, а их протяженность – порядка 10 нм. Временной параметр задает нижнюю границу длительности tna > 1 фс неадиабатичности процессов малых неравновесных наночастиц: L < 10 нм. Таким образом, в нанодинамике малых неравновесных наночастиц существует внутренний фемтосекундный ритм диссипации энергии. В данной работе использованы оригинальные методики расчета энергии наносистем и времени их диссипации. Отметим, что фемтосекундные шаги по времени используется и в классических методах молекулярной динамики. Однако, они задают длительность адиабатического движения в противоположном к нашему случаю пределе tna → 0. При этом время жизни диссипативных процессов принята равной нулю и ее физический механизм не конкретизируется, а заменяется сбросом тепловой энергии ядер в обобщённый термостат. Поэтому за рамками применимости классического метода молекулярной динамики выходят задачи описания сверхбыстрых неадиабатических фемтосекундных процессов квантовой нанодинамики, лежащих в основе явлений самосборки и самоорганизации активированных неравновесных наносистем.


Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту, полученные ранее результаты, разработ
В области предлагаемого проекта у коллектива имеется очень существенный и обширный научный задел. Данный проект базируется на фундаментальной концепции квантовой электродинамики наносистемных материалов. Эта концепция развивается проф. Безносюком С.А. с начала 80-х годов в форме концепций термополевой динамики и квантово-полевой химии кондесированного состояния. Полностью понятийный и математический аппарат концепции, а также её приложения к описанию микро- и наноструктурных превращений в материалах были опубликованы им с соавторами в международных журналах (Int. J. Quant. Chem., J. Mol. Struct., Mater. Sci. & Engin. C и др.), центральных журналах СССР и России (ДАН СССР, ЖСХ, Изв. вузов. Физика и др.). Результаты исследований в этой области стали основой докторской диссертации Безносюка С.А. на тему «Электронная теория активных центров микроструктурных превращений материалов». Диссертация была защищена в 1993 г. в ИФПМ СО РАН (г. Томск). С конца 90-х годов по тематике, лежащей в основе предлагаемого проекта, были защищены 6 кандидатских диссертации: к.ф.-м.н. Жуковской Т.М. «Компьютерное моделирование криогенных соконденсатов атомарно-диспергированных растворов переходных металлов в ароматических системах» (1998 г.), к.х.н. Фоминой Л.В. «Физико-химические аспекты формирования нанослоевых структур контактов Ir-GaAs n-типа в условиях халькогенной пассивации поверхности полупроводника и электрохимического осаждения металла» (2003 г.), к.х.н. Жуковским М.С. «Физико-химические аспекты электронной теории и компьютерное моделирование мультиструктур наноматериалов» (2004 г.), к.х.н. Лебеденко С.Е. «Физико-химические аспекты и компьютерное моделирование формирования нанослоевых структур выпрямляющих контактов Ga(As/P)–Ga(S/Se)–Ni» (2007 г.). к.ф.-м.н. Лерхом Я.В. «Компьютерное моделирование формирования фрактальных кластеров никеля и углерода в двумерных и трёхмерных наносистемах» (2009 г.), к.ф.-м.н. Пережогиным А. А. «Компьютерное моделирование полиаморфных превращений и захвата протона, молекул водорода и метана в наноструктурах льда» (2009 г.). Наиболее полно концепция и её приложения были изложены в учебном пособии с грифом Сибирского УМЦ «Многоуровневое строение, физико-химические и информационные свойства вещества, Томск: Изд. НТЛ, 2005 г. 2-е Исправленное и переработанное издание этого учебника вышло там же в 2006 г. В настоящее время на кафедре физической и коллоидной химии Алтайского госуниверситета по этой тематике в аспирантуре обучаются 2 выпускника кафедры – участники данного проекта Маслова О.А. и Важенин С.В., а также два магистранта – участники проекта Земцова Ю.В. и Гришко М.С. По тематике предлагаемого проекта с 2000 г. были сделаны десятки докладов на конференциях по нанотехнологиям во многих странах Евросоюза, Китая, России и Украины. Так, только в прошлом 2008 году было сделано 5 устных и 12 стендовых докладов на международных конференциях по процессам самоорганизации наносистем (NANOSEA2008, Италия, Рим, во Франции (E-MRS Spring Meeting, Страсбург), в Варшаве (E-MRS Fall Meeting). По тематике, на которой базируется предагаемый проект, авторским коллективом опубликовано свыше 50 статей в ведущих международных, центральных российских журналах, трудах международных конференций. В конце 90-х годов в рамках квантово-полевых концепций (термополевая динамика, квантово-полевая химия) конденсированного состояния нами были предсказаны полевые эффекты дискретизации эволюции плазмы электронов в наноструктурах вещества и в отсутствии химических реакций. Эффекты дополнительной дискретности кинетики наноструктурных процессов связаны с наличием в "холодных" полевых плазменных системах кроме элементарных квантовых частиц ещё и временно-живущих составных квантовых частиц – компактонов. Теория компактонов была рассмотрена в одной из первых публикации по основам квантовой электродинамики наносистем в начале 90-х годов (S.A. Beznosjuk, B. F. Minaev, R. D. Dajanov, Z. M. Muldakhmetov. Approximating Quasiparticle Density Functional Calculations of Small Active Clusters: Strong Electron Correlation Effects //Int. J. Quant. Chem.- V. 38.- N. 6.-1990.- pp. 779-797.). Согласно теории составные квантово-полевые частицы финитны в физическом пространстве и имеют конечные времена жизни, зависящие от их взаимодействия с основной подсистемой стабильных элементарных частиц плазмы вещества - электронами и ядрами и электромагнитными полямт низкой частоты. Благодаря взаимодействию подсистем элементарных частиц (электронов и ядер) с финитными в пространстве и во времени полевыми компактонами возникают финитные составные дискретно-полевые объекты – мультистабильные трансформеры. Их характерные размеры попадают в область от десятых долей до сотни нанометров. Они являются наночастицами. Именно они определяют специфические необычные физико-химические и информационные свойства открытых наносистем вещества. Таким образом, было показано, что свойственная молекулам пошаговая кинетика элементарных химических реакций далеко не исчерпывает все типы актов дискретной алгоритмичности кинетических процессов в открытых наноструктурах вещества. В том числе и для эволюции объектов биохимической природы в живом организме. Кинетика эволюции мультистабильных трансформеров наноструктур имеет три типа дискретных по длительности во времени актов обмена энергией. При распаде и образовании составных квантовых частиц могут происходить, во-первых, акты унитарных преобразований трансформеров с эмиссией энергии; во-вторых, акты неунитарных преобразований трансформеров с эмиссией энергии и производством энтропии в наносистеме, в третьих, акты неэквивалентных преобразований трансформеров с эмиссией энергии и производством информации в наносистеме. Эти три типа дискретных актов мулти-кинетики процесса движения наносистем называются, соответственно, эмиссией, диссипацией и реакцией мультистабильных трансформеров. Эти акты дополняют дискретность квантовой кинетики химических превращений нановещества на уровне атомов. Характерные кванты длительности мульти-кинетики имеют границы, лежащие ниже границы длительности элементарных химических реакций атомов. Эти три уровня квантов, занимают интервал от тысячных долей до десятков фемто-секунд. То есть они лежат за пределами современной фемто-секундной спектроскопии и зондовой микроскопии. Мульти-кинетика процессов в наноструктурированном материале имеет сложный дискретно-алгоритмический характер, распадаясь на цепочку дискретных актов сверхбыстрых эмиссий, диссипаций, реакций мультистабильных трансформеров и быстрых элементарных химических реакций. В этом состоит уникальность функциональных свойств нанообъектов, включая потенциальные возможности их к адаптивности и кибернетической интеллектуальности. В рамках гранта РФФИ 08-08-00053-а под руководством его научного руководителя докторанта М.С. Жуковского на тему «Фемтосекундная мульти-кинетика квантовых процессов обмена энергией, энтропией и информацией в открытых наносистемах» научным коллективом были получены новые исходные и основополагающие для данного проекта результаты, которые перечисленны ниже. 1. Дано последовательное фундаментальное описание фемтосекундной кинетики процессов обмена энергией, энтропией и информацией при самосборке и самоорганизации неравновесных открытых наносистем конденсированного состояния вещества. Описание дано в рамках теории термополевой динамики (ТПД). В рамках подхода ТПД при построении моделей механизмов фемтосекундных мультитрансформаций наносистем использован метод квантово-полевой химии (КПХ). Новизна и оригинальность результатов состоит в обосновании: а) механизма ядерно-электронной локализации наночастиц, как механизма фиксации их химического состава; б) механизма электронно-поляритонного компактирования распределений электронной плотности наночастиц, как механизма фиксации их конечного объёма. Оба механизма имеют квантовую флуктуационную природу и задают дискретный шаг процессов во времени и в пространстве. Показано, например, что процессы мультитрансформаций (локализаций, компактизаций) наночастиц с флуктуацией энергии Е ~ 3 эВ происходят за время t ~ 0.1 фс в области с радиусом Rmax ~ 30 нм. При этом поток энтропии S и информации Фишера If направлен из областей делокализации наночастиц в области их локализации. Поток информации Шеннона Is идёт из областей декомпактизации в области компактизации наночастиц. Информация Хартли Ih имеет уникальное свойство менять направление своего потока в зависимости от энергии мультитрансформерной флуктуации, что определяет особый статус этой информационной меры при описании адаптационных и интеллектуальных аспектов процессов фемтосекундных мультитрансформаций наносистем. 2. Механизм локализации наночастиц применен в рамках методов статистической термодинамики для описания процесса фемтосекундной аморфизации нанокристаллических систем. Рассчитана стабильность аморфных фаз и дана интерпретация механизмов полиаморфных переходов льда. 3. Механизм фемтосекундной локализации наночастиц применен для моделирования активных бирадикалов водорода Н?-Н? и неравновесных процессов самоорганизации суперадсорбатов этих частиц на поверхностях одностенных нанотрубок углерода. Компьютерное моделирование показало существование обратимо адсорбирующегося водородного нанослоя в диапазоне 3-11 массовых процентов по водороду. 4. Механизм фемтосекундной компактизации наночастиц использован для описания дискретно-алгоритмической кинетики самосборки фрактальных нанокластеров никеля и наногелей углерода. 5. Предложены обобщения метода молекулярной динамики и метода Монте-Карло для дискретно-алгоритмической кинетики самоорганизации локальных и компактных наночастиц. Компьютерные эксперименты показали, что временные кванты самоорганизации наночастиц никеля, железа и графена заключены в диапазоне от тысячных долей до десяти фемтосекунд. Выход самоорганизации на неравновесные стационарные состояния совершается в течение времени десятков пикосекунд, что согласуется с данными экспериментов по регистрации понижения полосы поглощения продольных волн при облучении наночастиц фемтосекундными лазерными импульсами. 6. Показано, что адаптивность самоорганизации наночастиц проявляется в «выборе» одного из нескольких вырожденных по энергии, различимых неравновесных стационарных состояний в зависимости от условий, задаваемых внешним окружением. 7. Разработан и направлен на лицензирование комплекс «Компьютерная Нанотехнология» для выполнения компьютерного эксперимента по исследованию дискретно-алгоритмической кинетики квантовых фемтосекундных процессов обмена энергией, энтропией и информацией в связанной наносистеме МТ с регулируемыми параметрами процесса: нуклеарностью, температурой, давлением и конечным свободным объёмом.


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
-


Перечень международных, федеральных, региональных и муниципальных конкурсов, в которых проект был признан победителем
-


Текущая стадия разработки проекта
Научно-исследовательская работа


Патентная чистота научно-технического задела, его защищенность
Данный вопрос не рассматривался


Тип научно-исследовательской работы
Прочее


Описание основных ожидаемых научных результатов
1.Развит последовательный подход на основе формализма матриц плотности к описанию многоуровневых и многовременных корпоративных наноструктур, возникающих в результате процессинга неравновесных наносистем функциональных материалов. 2.Предложена компьютерная модель неравновесной стохастической динамики наночастиц, учитывающая эффекты дискретной во времени фемтосекундной диссипации энергии, процессы самоорганизации наноструктур и численные критерии для анализа изменений этих структур. 3.Теоретически установлено влияние таких физико-химических параметров, как состав, размер, начальное строение, тип решетки на процессы самоорганизации наночастиц железа, никеля и серебра, а также на структурные и морфологические особенности их стационарных состояний в аттракторах. 4.Рассчитаны пространственные и временные характеристики деформационных неоднородностей на поверхности графеновых монослоев при диссипативной фемтосекундной самоорганизации. 5.Развита учитывающая спиновую и температурную зависимость контактных обменных взаимодействий атомов компьютерная модель сорбции бирадикалов водорода на внутренней и внешней поверхностях нанотрубки углерода. 6.Разработаны компьютерные модели регулярной и стохастической самосборки бирадикального водородного адсорбата на поверхностях нанотрубки углерода с последующей самоорганизацией водородных наноструктур. 7.Рассчитаны энергии образования бирадикальных сорбатов водорода на одностенных нанотрубках углерода при различных температурах, концентрациях водорода и начальных конфигурациях бирадикалов. Показана достижимость высокоэффективной сорбции водорода (7,7 и 14,3 мас. %) в нанотрубках углерода малого диаметра. 8.Установлены физико-химические зависимости влияния концентрации водорода, температуры на устойчивость адсорбата в модели регулярной или хаотической посадки бирадикалов водорода на внутренней и внешней поверхностях углеродной нанотрубки.


Ожидаемая научная, научно-техническая продукция
Работа теоретическая


Срок реализации Проекта (месяцев)
12


Необходимый объем финансирования (тыс. руб.)
200000


Ключевые слова

-


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-