Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Основан в 2009 году

Колонка редактора

Кинетика термической десорбции титанового и титан-ванадиевого газопоглотителей

А.В. Паращук, Е.П. Шешин
ФГАОУ ВО «Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)»

Аннотация: Методом термодесорбционной спектроскопии исследованы процессы газовыделения из титанового и титан-ванадиевого геттеров, применяемых в электровакуумных приборах. Проведены два последовательных цикла нагрева образцов со скоростью 5°C/мин и изотермической выдержкой в конце нагрева. Рассчитаны энергии активации десорбции для H2, H2O, CO2 и CH4 по методу Редхеда. Показано, что при вторичном нагреве спустя 5 суток покоя в условиях вакуума наблюдается восстановление пиков водорода, появление новых высокотемпературных пиков воды и образование метана, отсутствовавшего при первичном нагреве. Для сплава Ti-V все десорбционные процессы смещены в область более низких температур (максимум 550°C) с энергией активации 2,52 эВ против 3,62 эВ для чистого титана. Установлено, что за время выдержки при комнатной температуре геттеры сорбируют водород, кислород- и углеродсодержащие газы из остаточной атмосферы, причем сорбированные компоненты вступают в химическое взаимодействие в объеме материала с образованием гидридных, карбидных и гидроксильных фаз. Полученные количественные данные могут быть использованы для оптимизации режимов тренировки геттеров, прогнозирования срока службы электровакуумных приборов и диагностики причин их отказов.
Ключевые слова: термодесорбционная спектроскопия, геттер, титан, титан-ванадиевый сплав, энергия активации, десорбция, сорбция, электровакуумные приборы, метод Редхеда

Квантово-химический расчёт соединения цинка(II) с глицином: синтез, строение, свойства, константы устойчивости

Д.В. Беспалов, О.А. Голованова
ФГАОУ ВО «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского»

Аннотация: Комплексное применение квантово-химических методов функционала плотности (DFT/B3LYP) в базисе 6-31G(d,p) и полуэмпирического GFN2-xTB, позволили достоверно построить модель изолированной молекулы комплекса цинка с глицином. Оптимизирована структура, рассчитаны термодинамические характеристики и инфракрасный спектр, исследуемого соединения. С помощью потенциометрического титрования, по методике Кальвина-Мельхиора, определены константы устойчивости комплексов в системе цинк-глицин. Синтезирован соединение ZnGly2. Методами комплексонометрии и формольного титрования подтверждено мольное соотношение в комплексе цинк-глицин равное 1:2. Приведены инфракрасные спектры синтезированного соединения. Сравнение инфракрасных спектров экспериментальных и теоретических результатов подтвердило адекватность и сходимость выбранных квантово-химических методов. Методом рентгенофазового анализа определили вероятный состав комплекса, а также и рассчитали параметры элементарной ячейки методом дихотомии, и через расчёт ван-дер-ваальсовых объёмов атомов, подтвердили наличии молекулы воды в кристаллической решётке, определён средний размер кристаллитов по методу Селякова – Шеррера. Полученные данные расширяют представления о координационной химии цинка и создают основу для рационального дизайна биоактивных соединений, направленных на регуляцию гомеостаза. Данные могут быть использованы для предотвращения паталогий, связанного с нарушением метаболизма цинка и формированием наноразмерных агрегатов.
Ключевые слова: синтез, аминокислоты, комплексы цинка, глицин, молекулярное моделирование

Модель диффузии в наноструктурированной системе как генератор псевдослучайных последовательностей

А.В. Шишулин, А.В. Шишулина
ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Аннотация: Комбинированные генераторы случайных чисел, сочетающие быструю генерацию псевдослучайных последовательностей и аппаратные источники энтропии, имеют массу практических приложений в сфере моделирования стохастических процессов, машинном обучении и  информационной безопасности. В работе продемонстрирован метод генерации псевдослучайных последовательностей на основе физической модели процесса диффузии частицы в наноразмерной периодической структуре с нелинейным потенциалом и тепловым шумом, выступающими источником динамического хаоса. Последовательность термически активированных переходов между минимумами потенциала носит нерегулярный и хаотический характер, генерация результирующей последовательности осуществляется на основе оцифровывания стохастического блуждания частицы по энергетическому ландшафту наноструктуры. Диффузия частицы в наноструктурированной среде описывается уравнением Ланжевена, интегрируемого методом Верле. Приведена программная реализация предложенного алгоритма на языке программирования Ruby. Полученные результаты демонстрируют потенциал использования «псевдофизического» подхода, основанного на нелинейных потенциалах различной физической природы, в качестве работоспособной альтернативы «чисто математической» методологии в задачах генерации наборов случайных чисел.
Ключевые слова: наноструктуры, диффузия, нелинейный потенциал, динамический хаос, псевдослучайные числа

Планарный массив мемристорных элементов на основе GST225

В.А. Михалевский1, А.А. Бурцев1, В.В. Ионин1, А.А. Невзоров1,2, А.В. Киселев1, Н.Н. Елисеев1, А.А. Лотин1,3
1 ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
2 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
3 ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»

Аннотация: В статье представлены результаты моделирования изменения электрического сопротивления мемристорной структуры за счет изменения структурного состояния активной области ячейки из фазоизменяемого материала Ge2Sb2Te5, подвергнутой управляющему воздействию электрических импульсов. Продемонстрирована новая архитектура планарных мемристорных структур. На основе данных моделирования исследованной архитектуры мемристора описаны изменения температуры и фазовые превращения на основе классической задачи Стефана. Предложены оптимальные значения параметров управляющих электрических импульсов. Показано, что время изменения сопротивления практически не зависит от управляющих параметров после достижения порогового значения фазового перехода. Предложенная архитектура мемристорных структур демонстрирует преимущества в энергопотреблении и реализации многоуровневых резистивных состояний, что позволяет стать ключевым элементом технологий мемристоров нового поколения. Сочетание технологической простоты изготовления с сохранением функциональных характеристик, характерных для классического вертикального подхода, является решающим преимуществом, которое может обеспечить масштабируемость производства и коммерциализацию мемристоров нового поколения.
Ключевые слова: мемристор, халькогениды, фазоизменяемые материалы, тонкие пленки, аморфизация
ФХ-2025 обложка

Выпуск № 17 (2025) доступен на сайте

Семнадцатый выпуск журнала «Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов» доступен на нашем сайте! Перейти в список статей выпуска.

Коррозионная стойкость композиционных цинк-наноалмазных покрытий

Е.Г. Корж, В.Э. Бурлакова
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет»

Аннотация: В работе методом гидродинамической кавитации получены наноалмазы ООО ТПК «Синтез». Синтезированные наноалмазы исследованы методом атомно-силовой микроскопии и в результате было установлено, что их частицы имеют форму близкую к сферической, а размер частиц по оси Z не превышает 10 нм, которые агломерируют и образуют более крупных структуры размером до 100 нм. Синтезированные наноламазы в виде коллоидных растворов концентрацией 0,5%, 1%, 3%, 5% и 7% использовали в электролите цинкования для получения композиционных цинк-наноалмазных покрытий. Полученные покрытия исследовали методами рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии. Было доказано присутствие фазы углерода в составе композиционного цинкового покрытия, соответствующей алмазоподобной структуре. Установлено, что морфологические особенности поверхности цинк-наноалмазного покрытия значительно отличаются от морфологии поверхности цинкового покрытия, что выражено в отсутствии большого количества впадин и неровностей. Проведены испытания на коррозионную активность цинк-наноалмазных покрытия в 3% растворе хлорида натрия (NaCl). Определено, что композиционные цинк-наноалмазные покрытия обладают повышенной коррозионной стойкость в сравнении с цинковыми покрытиями, при этом скорость коррозии уменьшается на 42%.
Ключевые слова: наноалмазы, цинковое покрытие, композиционное покрытие, цинк- наноалмазное покрытие, коррозия

Нанокомпозиты оксидов металлов с плазмонными наночастицами для фотокатализаторов и газовых сенсоров

С.С. Налимова1, З.В. Шомахов2
1 ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
2 ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»

Аннотация: Увеличение поглощения света в видимой области модифицированных плазмонными наночастицами оксидов металлов делает их отличными материалами для фотокатализаторов и резистивных газовых сенсоров с оптической активацией. Рассмотрены фотокаталитические свойства нанокомпозитов плазмонных наночастиц с оксидами металлов. Проанализированы основные результаты исследования фотокаталитической активности разложения различных органических красителей. Влияние металлических наночастиц на фотокаталитические свойства объясняется формированием барьера Шоттки, а также эффектом локального поверхностного плазмонного резонанса (ЛППР). Роль барьера Шоттки, образующегося на границе металл-полупроводник, заключается в эффективном разделении и переносе носителей заряда внутренним электрическим полем. Увеличение эффективности фотодеградации красителей связано с разделением электронно-дырочных пар и снижением скорости рекомбинации. За счет ЛППР увеличивается поглощение света, что приводит к увеличению генерации активных носителей заряда. Обобщены результаты, полученные различными авторами, по исследованию отклика композитных структур оксидов металлов с плазмонными наночастицами, к окисляющим и восстанавливающим газам при различных экспериментальных условиях. Основной причиной увеличения отклика является увеличение концентрации адсорбированных ионов кислорода при переходе к ним фотогенерированных в плазмонных наночастицах электронов. Механизм влияния эффекта поверхностного плазмонного резонанса на свойства химических полупроводниковых газовых сенсоров и фотокатализаторов связан с процессами формирования барьера Шоттки при контакте благородного металла и полупроводника, прямого переноса электронов, локального усиления электрического поля и плазмонного резонансного переноса энергии.
Ключевые слова: наночастицы, оксид металла, фотокатализаторы, газовые сенсоры, локализованный поверхностный плазмонный резонанс

Темплатный эффект при синтезе микро- и наноразмерных оксидных материалов и композиций на их основе в реакциях горения глицин- нитратных прекурсоров

А.А. Остроушко, А.Е. Пермякова
ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Аннотация: На основе имеющихся результатов экспериментальных исследований проведен анализ возможности проявления темплатного эффекта формирования анизометрических микро- и наноразмерных образований в оксидных и композитных системах. При синтезе микро- и наноразмерных оксидных (сложнооксидных) материалов, композиций на их основе, например, металл-оксидных, в реакциях
горения глицин-нитратных прекурсоров наблюдается темплатный эффект, способствующий формированию анизометрических (протяженных) частиц и их ансамблей. Помимо имеющихся фактов, описанных в литературе, когда возникает вышеназванная морфология (синтез гидроксидов и оксидов лантана, неодима, празеодима, гольмия, самария, иттрия, гадолиния, эрбия, европия), наличие подобного явления обнаружено как в системах, где синтезируются магнитные частицы (гексаферрит стронция), так и в других немагнитных материалах. При получении магнитных сложных оксидов эффект способствует получению высококоэрцитивных материалов. Вышеназванный эффект относится также к образцам бактерицидной композиции оксида алюминия с наночастицами серебра, полученной в реакциях горения. К возможным причинам формирования анизотропных образований можно отнести присутствие глицина, амфотерные молекулы которого, как цвиттер-ионы, способны к образованию упорядоченных пространственных структур, служащих темплатами при синтезе целевых фаз в реакциях горения.
Ключевые слова: оксидные материалы, композиции, синтез с использованием солевых форм, морфология, органические компоненты, глицин

Механизмы упрочнения в металл-графеновых нанокомпозитах: влияние интерфейсов и аморфной матрицы

В.А. Полухин, С.Х. Эстемирова
ФГБУН «Институт металлургии им. Н.А. Ватолина УрО РАН»

Аннотация: Современные исследования металл-графеновых нанокомпозитов (таких как Al/G, Ni/G, Ti/G) демонстрируют их выдающиеся механические свойства при сочетании аморфной металлической матрицы с диспергированным графеном. Анализ литературных данных позволяет выделить два ключевых фактора, ответственных за повышенную прочность и термическую стабильность таких материалов: (i) образование гибридизованных металл-углеродных связей на границе раздела фаз и (ii) особые деформационные механизмы, включая активность зон сдвиговой трансформации и блокировку дислокаций на межфазных границах. Для аморфных сплавов решающую роль играет свободный объем, способствующий локальной реструктуризации и формированию упрочняющих нанофаз. Сравнительный анализ данных молекулярно-динамического моделирования и экспериментальных результатов показывает их хорошую согласованность, что подтверждает эффективность графена в качестве армирующей фазы. Полученные результаты позволяют рассматривать металл-графеновые нанокомпозиты как перспективное направление разработки новых материалов с улучшенными механико-тепловыми характеристиками, в том числе обеспечивающих работу в экстремальных условиях.
Ключевые слова: графен, металлокомпозиты, аморфные сплавы, молекулярно-динамическое моделирование, деформационные механизмы, армирование, гибридизация связей, интерфейсные взаимодействия, механические свойства

Полиоксовольфрамометаллаты 3d-металлов в синтезе гибридных углерод-минеральных наноматериалов CVD-методом

А.П. Прудченко1, Я.А. Мороз1, Н.С. Лозинский1, О.Ю. Полякова1, Ю.С. Протасевич1, В.А. Глазунова2,1, Г.К. Волкова2,1, В.В. Бурховецкий2,1
1 ФГБНУ «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко»
2 ФГБНУ «Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина»

Аннотация: В данной работе представлены результаты по оценке возможности получения гибридных углерод-минеральных наноматериалов методом каталитического химического осаждения углерода из газовой фазы с использованием комплексов полиоксовольфрамометаллатов с 3d-металлами общей формулы (NH4)X[PW11O39Me(L)]×nH2O, где Ме – Fe, Co, Ni, Cu; L – H2O, C6H12N4 (гексаметилентетрамин), как компонентов металлоксидных катализаторов роста углеродных нанотрубок, являющихся источником активных в каталитическом процессе частиц восстановленных металлов. Продукты синтеза исследованы методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. Установлено, что даже при очень низком мольном отношении металл-носитель (0,03÷1) реализуется каталитический процесс с образованием углеродных нанотрубок. Показано, что независимо от качественного состава катализатора идет, также, накопление продукта
некаталитического потока – наноуглерода, формирующего гибридный супрамолекулярный углерод-углеродный комплекс в виде латеральных отложений графеноподобного углерода на внешней поверхности углеродных нанотрубок. По данным рентгенофазового анализа выделенных и очищенных продуктов синтеза с использованием, отличающихся по структуре полиоксовольфрамометаллатов на рентгеновских дифрактограммах, проявляются рефлексы при одних и тех же угловых положениях, что дает возможность предположить образование двух типов гибридных углерод-минеральных наноматериалов: углеродные нанотрубки-наноуглерод-оксиды вольфрама и наноуглерод-оксиды вольфрама.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, металлоксидные катализаторы, полиоксовольфрамометаллаты, гибридные углерод-минеральные наноматериалы