Колонка редактора

Ю.Я. Гафнер, Д.А. Рыжкова, С.Л. Гафнер, А.А. Череповская
ФГБОУ ВО «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»

Аннотация: При производстве SERS (surface enhanced Raman scattering) подложек используют два основных подхода к формированию массива плазмонных наночастиц: фотолитографию и химические методы, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Возможен еще способ термического испарения в вакууме, который и был выбран для анализа методом компьютерного моделирования. Для этого применялась молекулярно-динамическая имитация процессов кристаллизации массива бинарных наночастиц Ag-Au, позволяющих плавно регулировать длину волны плазмонного резонанса. Было создано три массива Ag-Au НЧ диаметром 2,0; 4,0 и 6,0 нм различного целевого состава от Ag₉₀Au₁₀ до Ag₅₀Au₅₀, которые подвергались процедуре охлаждения из расплава с различным темпом отвода термической энергии. В ходе моделирования формирования внутреннего строения наночастиц Ag-Au были сделаны выводы о зависимости данных процессов от целевого состава, размера и уровня термического воздействия. На основе полученных закономерностей были предложены корректировки технологического процесса создания SERS подложек с использованием бинарных наночастиц Ag-Au.
Ключевые слова: нанокластеры, серебро, золото, кристаллизация, структура, компьютерное моделирование, сильная связь

С.Л. Гафнер
ФГБОУ ВО «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»

Аннотация: Величина локализованного поверхностного плазмонного резонанса (localized surface plasmon resonance – LSPR) металлических наночастиц определяется множеством факторов. Так при увеличении их среднего линейного размера максимальное положение LSPR пика смещается в сторону длинных волн. Однако в большей степени на положение LSPR максимума оказывает влияние материал наночастиц. Изменение среднего диаметра частиц от D = 7 нм до D = 60 нм позволяет варьировать положение LSPR максимума в диапазоне порядка 50 нм. Однако при плавном изменении состава бинарных наночастиц его можно изменять уже в пределах порядка 120 нм. Следовательно, наночастицы сплава меди и серебра представляют большой практический интерес в связи с возможностью тонкой настройки имеющихся в них плазмонных эффектов посредством вариации состава, размера, формы и структуры наночастиц. По результатам анализа имеющихся экспериментальных данных был сделан вывод о возможности управления внутренней структурой и формой Ag-Cu наночастиц с целью сдвига пика плазмонного резонанса и его усиления.
Ключевые слова: нанокластеры, серебро, медь, кристаллизация, структура, компьютерное моделирование, сильная связь

А.В. Блинов, М.А. Пирогов, А.А. Гвозденко, А.Б. Голик, З.А. Рехман, М.А. Колодкин, Д.Д. Филиппов
ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет»

Аннотация: В данной работе проведено компьютерное квантово-химическое моделирование взаимодействия наночастиц селена с четвертичными аммониевыми соединениями, в рамках которого получены модели молекулярных комплексов, распределения электронной плотности, а также высшей заселённой и низшей свободной молекулярных орбиталей. У представленных молекулярных систем рассчитывалась полная энергия молекулярного комплекса E, разница энергии молекулы четвертичного аммониевого соединения и системы «четвертичное аммониевое соединение-наночастицы селена» ΔE, энергия высшей заселённой молекулярной орбитали E_HOMO, энергия низшей свободной молекулярной орбитали E_LUMO и химическая жёсткость системы η. В результате анализа данных установлено, что взаимодействие наночастиц селена с четвертичными аммониевыми соединениями является энергетически выгодным (ΔE > 11991 ккал/моль). Оптимальной системой взаимодействия наночастиц селена с четвертичными аммониевыми соединениями является система «цетилтриметиламмония хлорид-наночастицы селена», что обусловлено наибольшим значением разницы энергии (ΔE = 11991,79 ккал/моль). Исходя из анализа полученных моделей молекулярных систем установлено, что при взаимодействии четвертичного аммониевого соединения с наночастицами селена происходит смещение электронной плотности и образование новых молекулярных орбиталей, что свидетельствует об образовании химического взаимодействия между молекулами. Далее была проведена ИК-спектроскопия наночастиц селена, стабилизированных цетилтриметиламмония хлоридом. На основе полученных данных установлено, что происходит падение интенсивности полос, в сравнении с ИКспектром цетилтриметиламмония хлоридом, в областях от 2851 до 3026 см^-1 и от 1265 до 1377 см^-1, характерных для групп CH₂ и CH₃, что свидетельствует о присутствии молекул цетилтриметиламмония хлорида, ориентированных гидрофобной стороной к частицам селена, на их поверхности. После было проведено исследование морфологии частиц селена с помощью метода просвечивающей электронной микроскопии. В результате анализа ПЭМ-изображений подтверждено формирования слоя четвертичных аммониевых соединений на поверхности частиц селена диаметром от 25 до 60 нм.
Ключевые слова: наночастицы селена, четвертичные аммониевые соединения, квантово-химическое моделирование, цетилтриметиламмония хлорид, ИКспектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия

Н.М. Барбин^1,2, Л.В. Якупова¹, Д.И. Терентьев^1
1 ФГБОУ ВО «Уральский институт ГПС МЧС России»
² ФГБОУ ВО «Уральский государственный аграрный университет»

Аннотация: С целью изучения термической стабильности фуллеренов C_n (n = 28, 32, 44, 50) в среде азота при переходе из конденсированной фазы в газовую и дальнейших реакциях в паровой фазе использован метод термодинамического моделирования. По результатам расчета составлены химические реакции в системе С_n–N₂ и выделены температурные интервалы для каждой реакции. В данной работе проведено сравнительное исследование интервалов термостабильности фуллеренов С_n в конденсированной и газовой фазах. Выделены в результате нагрева протекающие в системе углерод-азот физико-химические процессы, которые можно разделить на три группы: реакции, протекающие в конденсированной фазе, между конденсированной и газовой фазами и сублимации с термической диссоциацией. Наглядно продемонстрировано, что с увеличением числа атомов углерода в конденсированной фазе фуллерены проявляет свою термическую неустойчивость в отличии от твердого раствора фуллеренов. Данное исследование является одной из серии работ, посвященных свойствам наночастиц в атмосфере азота, которые можно использовать при разработке новых огнезащитных составов.
Ключевые слова: фуллерены, термостабильность, термодинамическое моделирование, физико-химический процесс, химические реакции

В.М. Юров¹, К.Н. Жангозин^2
1 НАО «Карагандинский технический университет им. А. Сагинова»
² директор ТОО «ТСК-Восток»

Аннотация: Предложена теоретическая модель, позволяющая определять толщину поверхностного слоя жидкости R(I). Для воды и этанола она оказалась равной 1,1 нм. Как следствие, этанол неограниченно растворяется в воде. Метилацетат, бензол и толуол (R(I) выше 1,4 нм), образует с водой азеотропные смеси. Глицерин, нитробензол и ртуть (R(I) больше 3 нм) практически нерастворимы в воде. Из предложенной модели можно сделать вывод, что поверхностный слой жидкости представляет собой наноструктуру с размерными эффектами. При этом толщина поверхностного слоя воды совпадает с толщиной поверхностного слоя у железа, кобальта и никеля. Найдены также работа адгезии и упругие постоянные для воды и этанола, включая модуль Юнга Установлено, что упругость воды лишь в 100 раз меньше упругости стали, т.е. воду можно рассматривать как несжимаемое вещество, а внутреннее трение в воде в три раза больше, чем в этаноле. Показано также, что универсальным элементом геометрии пространств жидких систем является тетраэдр, отвечающий sp³-гибридизации межатомных или межмолекулярных связей.
Ключевые слова: поверхностный слой, вода, этанол, жидкость, толщина слоя, кластер

В.М. Юров¹, В.И. Гончаренко², В.С. Олешко^2
1 НАО «Карагандинский технический университет им. А. Сагинова»
² ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»

Аннотация: Предлагается модель, по которой можно вычислить длину нанотрещины твердого тела. Длина нанотрещины в нитридах, боридах и карбидах тугоплавких металлов оказалась равной в интервале 1<L<3 нм. Обсуждаются теоретические и экспериментальные методы исследования нанотрещин. Теория дает интервал длин для поликристаллов кремния 0<L<2 нм. Рентгеновские и электронно-микроскопические методы дают толщину трещин в металле в диапазоне десятых и сотых долей микрона. Предложенный недавно метод фрактолюминесценции для разрушения минералов с длительность сигналов ≈50 нс, а интервал времени между ними изменялся от ≈0,1 до 1 мкс, позволил выявить нанотрещины в олигоклазе при разрушении его поверхности в интервале 10<L<20 нм, что совпадает с предложенной нами моделью. Можно привести еще примеры образования нанотрещин в твердых телах. Иными словами, мы предлагаем назвать направление физики конденсированного состояния «физикой нанотрещин», которая отличается от «теории трещин» как по ее экспериментальному обнаружению, так и методу ее расчета.
Ключевые слова: нанотрещина, поверхностный слой, металл, разрушение, поверхность, модель, микрон

А.Р. Эль Занин¹, С.В. Борознин¹, И.В. Запороцкова¹, Н.П. Борознина¹, Л.В. Кожитов², А.В. Попкова^3
1 ФГАОУ ВО«Волгоградский государственный университет»
² ФГАОУ ВО«Национальный исследовательский технологический университет МИСиС»
³ НИИ Научно-производственное объединение «Луч»

Аннотация: В связи с высокой практической ценностью и, как следствие, активным изучением углеродных наноматериалов, актуальным является вопрос о методах исследования их физико-химических, в частности, термодинамических свойств. В настоящей работе рассматривается возможность применения нескольких подходов для оценки стандартной энтальпии образования фуллеренов в газовой фазе. Были рассчитаны стандартные энтальпии образования в газовой фазе фуллеренов C₆₀ и C₇₀ методами Лайдлера, Франклина, Соудерса – Мэтьюза – Харда, Джобака – Рида. Был получен ряд аналитических зависимостей стандартной энтальпии образования в газовой фазе от числа атомов углерода в молекулах фуллеренов. Проведено сравнение полученных значений с экспериментальными данными, определена относительная погрешность расчета. Сделан вывод об ограниченной применимости предлагаемых методов для определения стандартной энтальпии образования фуллеренов в газовой фазе. Полученные значения стандартной энтальпии образования наиболее удовлетворительным методом из рассмотренных для фуллеренов C₆₀ и C₇₀ составляют 2448,90 и 2857,05 кДж/моль, а относительные погрешности составляют 4,44% и 5,95% соответственно. Таковым является метод Соудерса – Мэтьюза – Харда. Представленные аналитические зависимости позволяют проводить экспрессную оценку стандартной энтальпии образования фуллеренов в газовой фазе при малом количестве входных данных.
Ключевые слова: аддитивные расчетные схемы, углеродные наноматериалы, термодинамические свойства

А.В. Шишулин¹, А.В. Шишулина^2
1 Pleiades Publ., Ltd.
² ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Аннотация: В данной работе рассмотрена зависимость модуля нормальной упругости Юнга 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. Приведенные оценки свидетельствуют о том, что характерный для наноразмерных частиц эффект, связанный с существенной зависимостью модулей упругости от размера и формы частицы, может также реализовываться в мезопористых (характерный размер пор от 5 до 50 нм) материалах, притом что сами мезопористые объекты могут иметь макроскопические размеры. На примере пористого серебра показано, что уменьшение объема пор и «усложнение» их морфологии приводят к заметному снижению модуля нормальной упругости. Результаты получены в рамках когезионной модели.
Ключевые слова: модуль упругости, мезопористые материалы, фрактальная размерность, когезия, распределения по размерам, формула Харди-РамануджанаРадемахера

А.В. Шишулин¹, А.В. Шишулина^2
1 PleiadesPubl., Ltd
² ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Аннотация: Благодаря уникальному набору физико-химических свойств тяжелые вольфрамовые псевдосплавы c ультрамелкозернистой структурой, полученные из наночастиц современными методами порошковой металлургии, стали объектом повышенного интереса исследователей. В данной работе в рамках термодинамического подхода смоделированы особенности фазового состава наночастиц со структурой ядрооболочка расслаивающегося твердого раствора на примере тяжелого псевдосплава WCr. Для системы двух компонентов, ограниченно растворимых в твердом состоянии, продемонстрирован специфический эффект, заключающийся в том, что в отличие от систем в макроскопическом состоянии, не только объемная доля сосуществующих фаз, но и их равновесный состав существенно варьируется в зависимости от исходного состава системы. Для двух различных гетерогенных состояний структуры ядрооболочка получены области термической стабильности, а также температурные зависимости равновесного фазового состава системы в каждом из состояний. Описана термодинамическая интерпретация полученных закономерностей на основе трех возможных механизмов понижения свободной энергии системы.
Ключевые слова: наночастицы, распад раствора, химическая термодинамика, растворимость, структура ядро-оболочка, вольфрам, хром

И.Г. Шебзухова¹, Л.П. Арефьева^2
1 ФБГОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
² ФБГОУ ВО «Донской государственный технический университет»

Аннотация: В данной работе электронно-статистическим методом проведена оценка поверхностной энергии граней кристаллов титана с учетом вкладов дисперсионной, поляризационной и осцилляционной поправок. Используя аналитическую связь по величинам поверхностной энергии монокристаллов, вычислены значения работы выхода плотноупакованных граней полиморфных модификаций титана с учетом особенностей кристаллической структуры. Показано влияние полиморфного превращения и температуры на анизотропию исследуемых свойств. По величинам поверхностной энергии и межфазной энергии, состоящей из средней конфигурационной энергии и энергии химического взаимодействия двух частей металла, оценена энергия когезии α- и β-титана и показана ее зависимость от температуры. На примере систем вольфрам-титан и молибден-титан показана принципиальная возможность расчета изменения работы выхода в зависимости от концентрации поверхностно-активного компонента в биметаллических системах, что позволяет предсказывать эксплуатационный ресурс материала.
Ключевые слова: поверхностная энергия, работа выхода электрона, анизотропия, полиморфные модификации титана, энергия когезии