Заведующий лабораторией:к.ф.-м.н. Левин Вадим Моисеевич
Телефон отдела:—
Почта:—
Комната:—
Лаборатория была организована в декабре далекого 1978 года в составе НИИ по биологическим испытаниям химических соединений (НИИ по БИХС) группой молодых кандидатов наук (Р.Г. Маев, В.М. Левин, В.Л. Кононенко), пришедших в НИИ по БИХС из отраслевых и академических институтов. Тогда она называлась лабораторией физики живых систем, и создавалась для развития физических методов исследования биологических сред и объектов. Институт по биологическим испытаниям химических соединений был создан молодым членом-корреспондентом АН СССР Львом Арамовичем Пирузяном, впоследствии академиком РАН.
В настоящее время лабораторией заведует кандидат физико-математических наук Вадим Моисеевич Левин. В.М. Левин является известным ученым, специалистом в области физики и техники ультразвука, ультразвуковых методов исследований, материаловедения, физики твердого тела, биофизики, Почетным профессором (1995 г.) Шаньдунского технического университета, КНР, Кавалером бельгийского ордена “Le merité de l’invention” за плодотворную исследовательскую и инновационную деятельность (2004 г.). извилистый путь развития привел к формированию в структуре лаборатории нескольких научных направлений. в настоящее время в составе лаборатории сосуществуют три направления – направление высокочастотных ультразвуковых методов (акустической микроскопии) во главе с В.М. Левиным, направление моделирования структуры и свойств нанообъектов и наноматериалов под руководством профессора Л.А. Чернозатонского и группа химической гидродинамики (к.ф.-м.н. С.Н. Семенов).
Уже на первых этапах становления сложилась ориентация лаборатории на развитие высокочастотных ультразвуковых методов для исследования микроструктуры и локальных свойств материалов и биообъектов. работы в области акустической микроскопии – разработка фундаментальных основ метода, создание приборной базы, разработка методик и их использование для изучения различных классов объектов стали приоритетом деятельности лаборатории на всем периоде ее существования.
Примерно в то же время Л.А. чернозатонским было сформировано новое направление в деятельности лаборатории, связанное с изучением структуры, физических и физико-химических свойств нанокластеров, нанокластерных и нанокомпозитных материалов. В рамках лаборатории это направление сосредоточено на развитии фундаментальных теоретических представлений и компьютерном моделировании структуры и свойств нанокластеров различной природы. За годы вплоть до настоящего времени группой Чернозатонского был выдвинут и обоснован ряд фундаментальных положений, определивших, в значительной степени, дальнейшее развитие современной нанофизики и нанотехнологии. Направление, связанное с нанофизикой, остается одним из ведущих в деятельности лаборатории. Оно неизменно привлекает к себе молодых талантливых исследователей. Сегодня внутри него возникла группа молодых ученых-теоретиков, возглавляемая учениками Л.А. Чернозатонского - Д.Г. Квашниным, П.Б. Сорокиным, активно ведущих исследования в этой перспективной области.
Деятельность лаборатории также традиционно включает проблемы микромеханики и химической гидродинамики биологических сред. В лаборатории ведутся экспериментальные и теоретические работы по изучению ультразвуковых полей, возбуждаемых пьезоэлектрическими частицами, взвешенными в биологической среде, под действием внешнего высокочастотного электрического поля и воздействия таких полей на окружающую биологическую среду (Ю.С. Петронюк, С.А. Титов). К.ф.-м.н. С.Н. Семеновым разрабатываются проблемы химической гидродинамики – особенности гидродинамических течений и диффузионных процессов в многофазных биологических жидкостях (эмульсиях и суспензиях со взвешенными микро- и наночастицами) в неоднородных силовых полях. Существенные результаты получены в области исследования явлений переноса. Исследования неизотермического массопереноса в жидкостях имеют широкие приложения - от вклада в репликацию ДНК и молекулярных и надмолекулярных машин до процессов в жидком ядре Земли и в резервуарах ископаемых топлив. Существующие теории массопереноса относятся к частным случаям этого явления. В работах, выполненных в лаборатории, было предложено адекватное описание явлений неизотермического переноса массы в жидкостях и термодиффузии в растворах. Исходя из представлений неравновесной термодинамики и статистической физики, записаны уравнения массопереноса, дополненные расчетом термодинамических коэффициентов. Усовершенствование термодинамической теории позволило получить «гидродинамические» результаты и дополнить их вкладом от кинетической энергии теплового движения, который становится важным при молекулярных размерах. Этот вклад объясняет зависимость от масс частиц, которая ранее считалась чисто квантовым явлением, и объясняет термодиффузионное разделение изотопов в жидкости.
Сегодняшний интерес к импульсной акустической микроскопии определяется потребностью в методах и средствах изучения микроструктуры и локальных свойств с микронным и субмикронным разрешением непосредственно в объеме исследуемых объектов без нарушения их целостности. Такая потребность обусловлена многими тенденциями развития современных технологий. Актуальной оказывается неразрушающая оценка микроструктуры материалов со сложной внутренней архитектурой и выявление ее дефектов, в т.ч. индуцированных внешними воздействиями. В широком круге фундаментальных и прикладных проблем – от механики разрушения до задач регенеративной медицины и тканевой инженерии; оказываются востребованными неразрушающие методы наблюдения и исследования процессов, идущих в объеме материала с изменением его микроструктуры.
Лаборатория акустической микроскопии ИБХФ РАН является мировым лидером в развитии систем и методов импульсной акустической визуализации высокого разрешения. трудами сотрудников лаборатории заложены фундаментальные принципы импульсной акустической микроскопии и микроакустической техники. Результаты этих исследований являются базовыми; на их основе ведется разработка специализированных методик и их использование для решения конкретных фундаментальных проблем и практических задач. Совокупность физических явлений, возникающих при взаимодействии зондирующих ультразвуковых пучков с объектами, существенно обширнее того круга явлений, с которыми мы сталкиваемся в оптической, зондовой или электронной микроскопии. Значительно более разнообразным является и спектр акустических свойств материалов. Соответственно, для различных групп материалов характерны различные механизмы акустического контраста и разные принципы интерпретации акустических изображений. Этим определяется необходимость разработки специализированных методик для визуализации объемной микроструктуры или локальных измерений для различных групп материалов.
В лаборатории разрабатываются методики для 3D визуализации и неразрушающей оценки микроструктуры и свойств армированных композитов. Исследуются армированные пластики с различными видами связующего – полимеры, металлы, керамика; и различными типами армирующих волокон – углеродными, стеклянными, борными и т.д. Основная часть исследований выполняется для углепластиков – композитов на основе полимерных матриц с углеродными армирующими волокнами. Углепластики представляют в настоящее время особый интерес как конструкционный материал для аэрокосмической отрасли, поэтому исследования ведутся в тесной кооперации с ведущими исследовательскими организациями в этой области - Центральным аэрогидродинамическим институтом (ЦАГИ) им. Н.Е. Жуковского, Всероссийским институтом авиационных материалов (ВИАМ), НИИ авиационных технологий (НИАТ). Показана высокая эффективность метода для неразрушающей оценки объемной микроструктуры материала, выявления ее микродефектов. Демонстрируется возможность визуализации в объеме композита всех элементов его микроструктуры – от упаковки отдельных волокон и нитей до упаковки параллельных слоев в структуре ламината.
Принципиальный интерес для многих областей науки и техники представляет развиваемое в лаборатории в последние годы направление, связанное с изучением в реальном масштабе времени микроструктурных изменений и разрушений в процессе нагружения и деформирования сложноорганизованных материалов и объектов. Механизмы необратимого деформирования и разрушения исследуются для полимеров, полимерных композиций и наполненных полимеров, для композитных материалов, прежде всего, армированных композитов с регулярной структурой, в нанокомпозитах, в биокомпозитах. Разрабатываемые методы включают методику прямой ультразвуковой визуализации объемной микроструктуры в реальном масштабе времени с использованием испытательной минимашины, разработанной для сопряжения с акустическим микроскопом. В настоящее время на исследовательском стенде, включающем микроскоп и минимашину, ведутся интенсивные работы по изучению механизмов деформирования и разрушения для всех видов материалов со сложной внутренней архитектурой - полимеров, композитов, нанокомпозитов.
Особый характер разрушения армированных композитов обусловлен сложной топологией границы раздела связующего с армирующими элементами, существенным различием их упругих и прочностных свойств. Процесс разрушения разбивается на множество элементарных актов потери сплошности в микроскопических областях материала. С возрастанием нагрузки происходит накопление и слияние повреждений, в результате чего формируются макроскопические поврежденные области, и наблюдается разрушение образца как целого. Показана возможность наблюдения всех видов микроструктурных дефектов, как технологических, так и индуцированных внешними нагрузками, механическими (растяжение, сжатие, изгиб, удар) и климатическими (циклы температурных нагрузок и влажность). Разрешение по толщине обеспечивает возможность послойного, в каждом отдельном слое ламината, просмотра структуры материала. Основным объектом интереса являются нарушения сплошности - от воздушных пузырей и включений до различных типов протяженных областей потери адгезии со связующим вдоль углеродных нитей, трещин связующего вдоль нитей, разрывов нитей, межслоевых отслоений. Уникальной является возможность ультразвука выявлять закрытые трещины и отслоения с расстоянием между берегами, сравнимым с атомными размерами. В настоящее время ведутся исследования по одновременному математическому моделированию процессов разрушения в углепластиках при механическом нагружении (растяжение, изгиб, удар) и экспериментальному наблюдению этих процессов в реальном масштабе времени с использованием разработанных методик. Выполнение таких исследований с параллельным моделированием процессов нагружения позволяет изучать детали процесса необратимого деформирования и оценить адекватность теоретических моделей, используемых для описания процессов разрушения и определения ресурса материалов и конструкций.
Еще одним объектом микроструктурных исследований выступают полимерные нанокомпозиты с углеродными наноформами (частицами терморасширенного графита, графеновыми нанохлопьями, графитовыми нанопластинками, углеродными нанотрубками) и наночастицами слоистых алюмосиликатов в качестве наполнителя. Исследования проводятся в сотрудничестве с Национальной лабораторией Фраскати, Рим, Италия. В идеале, предполагается равномерное распределение нанонаполнителя, и формирование из наночастиц непрерывного кластера, равномерно заполняющего объем композита. Однако акустические изображения свидетельствуют о принципиальной неоднородности нанокомпозитов. Соответственно, импульсная акустическая микроскопия выступает как эффективный инструмент для неразрушающей оценки микроструктуры и свойств материалов, формируемых с использованием наночастичного контента.
Особую область применения образуют ультразвуковые методы высокого разрешения в современной биологии и медицине. Ультразвук достаточно эффективно проникает в объем большинства биологических сред, и позволяет наблюдать тонкую структуру тканей и клеток в нативном состоянии без фиксации и окрашивания. В настоящее время формируется активный интерес медиков и биологов к методам ультразвуковой диагностики и визуализации высокого разрешения. В ряде задач медицинской диагностики требуется визуализация с разрешением до сотен или даже десятков микрон; при этом оказывается возможным согласиться с заметным уменьшением глубины проникновения ультразвука. Речь идет о мелких органах (например, глазная диагностика), о тканях, для диагностики которых существенна их микроструктура (дерматологическая и васкулярная диагностика), или об оценке результатов биологических экспериментов с мелкими животными. Однако, основной областью современной медицины, в которой оказалась востребованной импульсная акустическая микроскопия, является регенеративная медицина и тканевая инженерия, базирующиеся на создании и приживлении тканевых имплантов и органов, выращиваемых на основе стволовых клеток реципиента.
Работы в этой области ведутся совместно с целым рядом исследовательских и медицинских центров – с Курчатовским исследовательским центром, 1-ым Московским государственным медицинским университетом им. Сеченова, Кубанским государственным медицинским университетом, Центральным институтом стоматологии и челюстно-лицевой хирургии и др. Импульсная акустическая микроскопия оказывается эффективным методом неразрушающей оценки микроструктуры и свойств субстратов для тканевых имплантов (матриксов), как биосовместимых полимерных материалов на основе алифатических полиэфиров (полилактида и т.д.) и композитов на их основе, так и естественных соединительнотканных субстратов, получаемых методом децеллюляризации донорских органов. Наблюдаются отдельные волокна и пучки волокон, оценивается ориентация и плотность их упаковки, отображается геометрия объемной микроструктуры матрикса, выявляется присутствие воздушных полостей в объеме импланта.
Важным направлением исследований лаборатории является развитие методик наблюдения и оценки динамики клеточного роста в импланте, техники наблюдения распространения фронта клеточной пролиферации, методов характеризации распределения клеточного контента по импланту. Существенной задачей является наблюдение и изучение процессов деградации искусственных матриксов и массивных изделий - предполагается, что в процессе вживления импланта субстрат должен деградировать и замещаться собственным соединительнотканным остовом. Значительным достоинством развиваемых методик является возможность наблюдения состояния вживленного импланта in situ, их применение для наблюдения процессов приживления импланта в организме. Наконец, в лаборатории, совместно с медиками и специалистами в области физико-химии полимеров, ведутся работы по изучению структуры костных и соединительнотканных имплантов, получаемых с использованием аддитивных технологий. Проводятся исследования процессов естественной деградации имплантов, создаваемых путем 3D принтинга, изучаются процессы структурной трансформации имплантов в зависимости от времени их пребывания в организме.
Продолжаются исследования эффектов акустического концентрирования в слоистых кристаллах, прежде всего, в высокоориентированном пирографите (HOPG). Изучается микроструктура материала. совместно с немецкой компанией Optigraph, основным мировым производителем HOPGа, разрабатываются методики оценки микроструктуры высокоориентированного графита для применений в рентгеновской технике, ядерной физике, атомной технике и графеновых нанотехнологиях.
Не меньшее значение приобретает в настоящее время техника ультразвуковых измерений высокого разрешения. во многих случаях стандартные методы измерений не позволяют находить упругие характеристики интересующего нас объекта. Необходимым условием процесса разработки, исследования и неразрушающей оценки композитных материалов с упорядоченной архитектурой армирующих элементов является знание локальных упругих характеристик этих структурных компонент в таких многофазных системах. Только микроакустические методы, основанные на использовании высокочастотного фокусированного ультразвука, позволяют выполнять локальные измерения упругих характеристик в многофазных и градиентных системах - получать локальные значения этих характеристик и отображать их распределения по протяженному образцу.
Практически важными являются разрабатываемые в лаборатории методики наблюдения и оценки контактных поверхностей, обеспечивающих связь между твердыми фазами на границах раздела и механическую прочность границы. Помимо прямого наблюдения протяженных областей потери контакта, импульсный фокусированный ультразвук позволяет оценивать качество контакта и выявлять ослабленные (частичные) контакты со статистически распределенными нанодефектами. Лаборатория периодически сталкивается с задачами визуализации микроструктуры в изделиях электроники, начиная от оценки структуры электронных плат до неразрушающего контроля элементов микроэлектроники, например, контроля упаковки кристаллов в многокристальных микросхемах.
Наконец, в лаборатории ведутся работы по визуализации структуры биологических тканей и органов, прежде всего, in situ. Обычно такие задачи возникают при определении последствий внешнего воздействия на организм. Ранее импульсная акустическая микроскопия использовалась для изучения воздействия космических условий на процессы эмбриогенеза и развития высших животных. Сегодня похожая задача ставится для лаборатории в ходе совместных российско-китайских экспериментов по синэнергическому воздействию космоса и нанодобавок на процессы развития и репродуктивную функцию растений. Еще одной проблемой, к решению которой сегодня привлечены методы акустической микроскопии, является частотная зависимость изменения морфологии глаза при световом воздействии на него (совместно с группой д.б.н. П.П. Зака, лаборатория физико-химических основ рецепции).
Существенная часть деятельности лаборатории посвящена развитию инструментальной базы метода. Импульсный акустический микроскоп представляет собой сложное устройство, основанное на использовании последних достижений электроники, СВЧ техники, компьютерной техники, точной механики, физики и техники ультразвука. Стремительное развитие этих отраслей позволяет улучшать характеристики микроскопов и существенно расширять области их применения. Увеличивается надежность и точность устройств механического сканирования, в настоящее время системы сканирования обеспечивают позиционирование и его повторяемость с точностью от 5 микрон до долей микрона. Увеличивается частота зондирующего ультразвука и, соответственно, улучшается пространственное разрешение. В лаборатории разрабатывается техника генерации и приема фокусированного импульсного ультразвука в различных частотных диапазонах от нескольких десятков МГц до 1.5 ГГц. Разрабатываются оптимальные конструкции ультразвуковых фокусирующих систем как в форме акустических линз (плоский излучатель + сферическая преломляющая поверхность), так и в виде фокусирующих излучателей (сферическая излучающая поверхность). Изучаются возможности применения новых пьезоэлектрических материалов. Разрабатываются различные схемы импульсной ультразвуковой эхо-локации высокого разрешения. Переход к гиперзвуковым частотам обеспечивается переходом от ультракоротких зондирующих импульсов к использованию частотно-модулированных (ЧМ) сигналов. Переход к ЧМ сигналам обеспечивает улучшение чувствительности, связанное c применением корреляционных методов обработки сигналов. Такие методы позволяют уверенно выделять слабые детерминированные сигналы на фоне интенсивного шума.
К настоящему времени в лаборатории создано несколько поколений импульсных акустических микроскопов. Современная версия электронного блока и уникальные акустические объективы позволили перейти к использованию ультракоротких (1–1,5 периода колебаний) зондирующих ультразвуковых импульсов и обеспечить высокое качество акустических изображений. Сегодня изображения, получаемые на микроскопах нашей лаборатории, выглядят во многих случаях лучше изображений, получаемых на импортных аналогах (фирмы Sonix и Sonoscan, США; Tepla, Германия). Использование достижений электроники и компьютерной техники обеспечило полное запоминание отраженных эхо-сигналов, и трехмерное послойное восстановление объемной структуры образца (микроакустическая томография). В 2009 – 2016 гг. разработано несколько модификаций современного поколения устройств акустической визуализации - микроскопы с рабочими частотами до 200 МГц и разрешением до 10 – 15 мкм.
Разработанные прототипы акустических микроскопов повторяются по заказам заинтересованных отечественных и зарубежных организаций. Развитые методические принципы, разработанные конструкции устройств импульсной акустической микроскопии являются фундаментом для создания серийных устройств. В настоящее время совместно с группой компаний «Остек» идет разработка серийного прибора, который будет производиться и распространяться компанией «Остек».
Другим направлением развития приборной базы является разработка и создание специализированных установок для совместной работы с акустическим микроскопом. С целью изучения деформационных процессов в материалах и выяснения механизмов разрушения в лаборатории разработана и изготовлена горизонтальная испытательная минимашина, сопрягаемая с акустическим микроскопом (рис.5). Машина обеспечивает различные режимы механического нагружения на растяжение и сжатие с нагрузкой – оптимальной до 500 кг и максимальной до 700 кг. Машина обеспечивает регистрацию текущих величин напряжений и деформаций и снятие кривых нагружения; в дальнейшем предполагается оснастить машину датчиками акустической эмиссии.
В лаборатории также разрабатываются новые методы и аппаратура ультразвуковой эластографии и эластометрии прежде всего для диагностики патологии мягких тканей на ранней стадии развития (н.с. Пышный М.Ф., н.с. Пышная С.В.) Основные задачи: обнаружение и дифференциальная диагностика небольших новообразований мягких тканей (особенно молочной железы), уточнение области распространения патологии; выявление участков сердечной мышцы с измененной функциональностью, определение причин данных изменений (ишемия, тромб и т.д.), в том числе, не имеющих клинической симптоматики на ранних стадиях развития заболевания и при небольших размерах очага патологии. Основные результаты: на базе созданного ультразвукового сканера среднего класса изготовлена установка для разработки новых методов ультразвуковой визуализации, исследована возможность создания специализированных методов эластографии для кардиологии и онкологии. В настоящее время изготавливается модернизированный вариант установки.
Разработанные в лаборатории устройства – импульсные акустические микроскопы разных поколений; неоднократно представлялись на различных международных и всероссийских выставках и получали медали и дипломы. Среди подобных наград – несколько золотых медалей Всероссийского выставочного центра (ВВЦ), золотая медаль Московской Международной выставки инноваций “Архимед”, золотая медаль Всемирной Брюссельской выставки инноваций, серебряная медаль Международной торгово-промышленной ярмарки “Идеи. Изобретения. Новые изделия” (Нюрнберг, Германия, 2010), многочисленные дипломы специализированных отраслевых выставок по неразрушающему контролю и медицинской диагностической техники. Созданные в лаборатории импульсные акустические микроскопы установлены во многих научных учреждениях и на предприятиях России, ближнего и дальнего зарубежья.
Признание и широкий международный резонанс вызывают исследования, выполняемые в лаборатории с использованием методов и средств импульсной акустической микроскопии по изучению микроструктуры и упругих свойств современных материалов, различных видов твердотельных соединений, многослойных материалов и покрытий, биологических объектов – тканей и клеток. Гостями лаборатории в разное время были ведущие специалисты в области ультразвука, ультразвуковой визуализации и ультразвуковой диагностики. Ученые из Италии, США, Франции, Японии, Китая, Южной Кореи, Германии, Польши, Южной Африки и т.д. приезжали в лабораторию не только для выступлений и взаимных дискуссий, но и для проведения совместных исследований. Лабораторией налажено плодотворное научно-техническое сотрудничество в области ультразвуковых методов высокого разрешения с рядом научных организаций КНР и Италии.
В настоящее время лаборатория проводит совместную работу в области применения акустической микроскопии для неразрушающего контроля высокого разрешения армированных композитов, используемых в авиационных и космических технологиях с компанией AVIC Composite Corporation Ltd. (КНР). В июле 2019 года состоялся научный визит сотрудников компании для обсуждения полученных результатов: директора компании компанией AVIC Composite Corporation Ltd. Сунпина Лю (SONGPING LIU), профессора Фэйфэй Лю (FEIFEI LIU) и менеджера компании Шиюй Ван (SHIYU WANG).
В рамках международного обмена профессор В.М. Левин принимал участие в Международном ультразвуковом конгрессе (Сингапур, 2013 г.), выступал с пленарным докладом на XX заседании Российско-Китайской подкомиссии по научно-техническому сотрудничеству Комиссии по подготовке регулярных встреч глав правительств (Шанхай, ноябрь 2016 г.). В.М. Левин часто выступает с лекциями для китайских студентов и аспирантов. В лаборатории акустической микроскопии ИБХФ РАН успешно проводят исследования молодые ученые - специалисты из Китая и Италии. Традиционно в лабораторию приезжают ля стажировки иностранные студенты и аспиранты в области акустической микроскопии и освоения техники акустомикроскопических исследований.
Сотрудники лаборатории, работающие в области ультразвуковых методов высокого разрешения, являются видными учеными, пользующимися признанием и высоким авторитетом. Научные результаты в.н.с. Ю.С. Петронюк неоднократно отмечались престижными российскими и международными наградами, премиями и медалями. В настоящее время Ю.С. Петронюк ведет большую научно-организационную работу, являясь ученым секретарем Научного Совета РАН по акустике и руководителем лаборатории ультразвуковых методов высокого разрешения в Центре уникального приборостроения РАН. Достижения с.н.с. Е.И. Морокова отмечены премией американского акустического общества (ASA international Student Grant) за перспективные исследования в области акустической микроскопии. Он являлся лауреатом программы «УМНИК-РАН» (2014 г.) за разработку методов и инструментов неразрушающего контроля для оценки качества соединений непрозрачных материалов.
Активно ведется научно-педагогическая работа и подготовка специалистов высокой квалификации в области ультразвуковых методов высокого разрешения. За последние годы в лаборатории подготовлено и защищено несколько магистерских и дипломных работ, кандидатских диссертаций по акустической микроскопии. Молодые сотрудники лаборатории активно участвуют в проведении Дней открытых дверей для студентов различных ВУЗов Москвы и знакомят их с основами акустической микроскопии.
В области моделирования наноструктур группой под руководством проф. Л.А. Чернозатонского развивается программа исследований свойств новых, перспективных для нанотехнологий, наноструктур из квазидвумерных материалов - графенов и дихальгединидов переходных металлов; нанотруб и фуллеренов. В ходе исследований за период с 2009 по 2019 г.г. получены следующие результаты.
Впервые показано, что линии адсорбированных пар атомов водорода разделяют графеновый лист на электронно-независимые полосы и образуют своеобразную сверхрешетку. В зависимости от ширины графеновых полос структуры могут быть полупроводниками или металл-диэлектрическими сверхрешетками. Были предложены экспериментальные способы изготовления таких сверхрешеток. Показана реальная возможность создания волноводных соединений, элементов и схем наноэлектроники с использованием разделения графена такими диэлектрическими C-H линиями.
Предсказаны и исследованы новые С2-Н наноструктуры на основе двухслойного графена, претерпевающего трансформацию в sp3 структуру за счет ковалентного связывания атомов водорода, адсорбированных на внешних поверхностях графеновых листов, и соединения лежащих друг против друга атомов C из соседних слоев. Такие структуры представляют собой двумерную пленку алмаза толщиной менее 1 нм, названную нами диаманом. рассчитаны и сравнены между собой энергетические характеристики и электронные спектры диамана, графена и алмаза, определены эффективные упругие модули и пороги разрушения мембран из диамана и графана. определена фазовая диаграмма перехода квазидвумерного углерода из 1-5 слоев графена к диаманам – механизм того, как многослойный графен может подвергаться фазовому превращению в тонкую алмазную пленку при пониженном или нулевом давлении, если этому процессу способствует гидрирование (или фторирование) поверхностей. Такой «химически индуцированный фазовый переход» по своей природе является наноразмерным явлением, когда состояние поверхности непосредственно влияет на термодинамику перехода, а давление перехода сильно зависит от толщины пленки. Впервые получена фазовая диаграмма (P, T, h), которая точно описывает роль толщины пленки h, и показывает возможность создания новых квазидвумерных алмазоподобных материалов. Выявлено влияние размерного эффекта на электронные и упругие свойства алмазных пленок с нанометровой толщиной. К настоящему времени уже тремя экспериментальными группами обнаружено существование предсказанных нами слоев диамана.
Предложены новые углеродные структуры из наносеток, образующихся из двуслойного графена при вырезке из него наноотверстий. Показано, что края отверстий посредством соединения химически активных атомов трансформируются в складки графена и образуют замкнутую структуру из sp2-гибридизированных атомов углерода. Исследовано строение и электронные свойства характерных полупроводниковых наносеток-сверхрешеток из соединенных между собой нанотрубных и биграфеновых фрагментов. Продемонстрированы их устойчивость и существенное отличие электронных зонных спектров от их аналогов - однослойных графеновых наносеток.
Исследованы принципы формирования и свойства структур на основе “сварных” графен/h-BN бислойных соединений, образующих новый класс 2D полупроводников. Нитрид бора и графен представляют собой монослои с одинаковой гексагональной структурой, но немного отличающимися параметрами кристаллической решётки. При наложении одного слоя на другой образуется муаровая структура из молекулярно связанных слоев. Активные B-C и N-C атомные пары, ковалентно соединяясь на краях, сваривают слои. формируется периодическая, полностью sp2-бислойная система с замкнутыми отверстиями муаровых структур из повёрнутых на различные углы относительно друг друга монослоев графена и нитрида бора BN с периодически расположенными отверстиями, в которых атомы углерода на краях непрерывно связаны с атомами бора и азота через sp2-связи. Электронные свойства бислоя BN/графен определяются графеновой составляющей. В отличие от графенового бислоя – полуметалла, сетка муаровой структуры с замкнутыми отверстиями является полупроводником, этим она отличается и от монослойной графеновой сетки - полуметалла. Причиной этих различий является разрушение симметрии графенового листа за счет различия между связями B-C и N-C и сильного искривления графеновой составляющей на краях отверстий. Электронные спектры сеток демонстрируют различные электрические свойства в зависимости не только от размера отверстий и расстояния между ними, но и от формы отверстий. Изучение электронной структуры бислоев графена и h-BN/графен бислойных структур показало сильную локализацию электронной плотности на отверстиях и перестройку электронного спектра бислойных наносеток, связанную с появлением в нем резонансных особенностей. Эти особенности спектра дают основание надеяться на применения таких структур в оптоэлектронике.
Продолжалась работа над моделями углеродных материалов с высокой электронной эмиссией. Продолжены теоретические и экспериментальные исследования в области сверхтвердых материалов. Рассмотрена новая модель композитного материала из С60 фуллеритных нанозерен, окруженных алмазной матрицей. Показано существенное улучшение механических характеристик, выяснена природа такого улучшения. Проведенные оценки подтвердили возможность получения композита с твердостью, выше алмазной. Предложен и осуществлен синтез новых Ni-Cr-C сплавов с высокой твердостью, определяемой присутствием в них областей из микростержней Cr3C2 с рекордной микротвердостью, достигающей 3200 кг/мм2. самоорганизация микростержней в порошке из микрочастиц никеля Ni, хрома Cr и углерода происходит в результате спекания при температуре 1300°С и последующего резкого охлаждения сплава. Методами твердометрии, электронной микроскопии, микрохимического и рентгеноструктурного анализа изучены характеристики таких микрокристаллических стержней, предложена модель их образования. Получено решение о выдаче патента по заявке 2018113074 от 11.04.2018 на изобретение "Способ получения сплавов Ni-Cr-C повышенной твердости, содержащих вискеры карбида хрома".
Предложены и теоретически исследованы модели углеродной наноструктуры из нанотрубок, окруженных молекулярно и ковалентно присоединенными фуллеренами С60. На основе исследований в Троицком институте сверхтвердых углеродных материалов (ТИСНУМ, Троицк, Москва) был получен новый полностью углеродный нанокомпозит путем погружения углеродных нанотрубок в раствор фуллерена в сероуглероде. Электронно-микроскопические исследования показали наличие плотного слоя молекул фуллеренов на внешней поверхности нанотрубки. Расчеты показывают, что образование фуллереновой оболочки начинается с присоединения молекулы С60 к дефекту на поверхности нанотрубки.
Был проведен цикл работ по теоретическому исследованию структур на основе нового класса 2D соединений - дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ). Структуры на основе двумерных ДПМ имеют большие перспективы для конструирования новых элементов наноэлектроники, оптики и спинтроники. Исследована структура ДПМ, предложены методы их получения, изучены их электронные, механические и оптические свойства, дефекты в них и их влияние на свойства материалов, условия, способствующие их формированию. Рассмотрены уникальные свойства монослойных и многослойных материалов таких двумерных материалов и их зависимость от воздействия внешних факторов. Теоретически изучено превращение бислоя ДПМ/графен в 2D металлическую структуру при внедрении атомов молибдена. Оценка эффективности миграционного процесса атомов молибдена на поверхности MoS2 показывает, что при повышенной температуре атомы молибдена свободно перемещаются по поверхности слоя MoS2, за счет чего происходит их кластеризация. Металлические кластеры, ослабляя силы Ван-дер-Ваальса между слоем MoS2 и графеном, могут расщеплять слои структуры. Рассмотренные высокоустойчивые бислои MoS2/(M)/графен могут найти приложения в наноэлектронных устройствах, например, в качестве металлических нанопроводов.
При исследовании комбинированных структур (MoS2/C60 G/C60 G/MoS2) и (G/MoS2/C60/G) было показано, что наличие слоя плотноупакованных фуллеренов на поверхности дисульфида молибдена приводит к его допированию и уменьшению ширины запрещённой зоны. Фуллерены могут играть роль акцепторов для фотоэлектронов, в то время как графеновые монослои являются электродами для фототока. Это позволяет рассматривать «сэндвич» (G/MoS2/C60/G) в качестве эффективного материала для фотовольтаики. Предложенная гетероструктура будет перспективна для использования в качестве элементов солнечных батарей.
В ИБХФ РАН совместно с Институтом физики полупроводников Со РАН (Новосибирск) и Объединенным институтом ядерных исследований (Дубна) изучена морфология и электронные свойства одно- и многослойных графеновых пленок, наноструктурированных под воздействием тяжелых высокоэнергетических (ВЭ) ионов. Показано, что облучение приводит к образованию наноразмерных пор, размеры которых не зависят от энергии ионов, а реальная плотность пор растет с увеличением дозы. С увеличением энергии ионов (> 70 МэВ) происходит существенное снижение концентрации структурных дефектов. При этом наблюдалось высокие значения подвижности носителей заряда (до 1200 см2 / В) и появление полупроводникового характера проводимости. На основе квантово-механического моделирования воздействия ионов на малослойные графеновые структуры выявлен механизм наблюдаемых эффектов. Существенное увеличение подвижности носителей тока объясняется образованием сплошных многосвязанных графенов с замкнутыми отверстиями за счет межслойных ковалентных связей на их краях и формирования бездефектных полупроводящих массивов, восстановленных из дефектных пор с оборванными связями атомов на краях. Этот же механизм объясняет и сильное уменьшение пиков комбинационного рассеяния, ответственных за разрушение графенов. Был объяснен экспериментально наблюдаемый эффект неполного фторирования пленок графена, покрывающих гладкую подложку всегда с некоторым количеством складок.
Для исследователей, работающих в области моделирования наносистем характерно тесное и плодотворное сотрудничество с группами, ведущими экспериментальные исследования. Д.ф.-м.н. П.Б. Сорокиным и к.ф.-м.н Д.Г. Квашниным был предсказан необычный эффект заметного увеличения модуля упругости графеновых мембран при их продавливании зондом атомно-силового микроскопа. Позже существование этого эффекта было подтверждено экспериментально. На основе предсказанной Д.Г. Квашниным возможности уменьшения запрещенной зоны в нитриде бора, был синтезирован новый материал – оксинитрид бора (BNO), имеющий слоистую структуру и содержащий 23,1 ат.% кислорода, встроенного в кристаллическую решетку нитрида бора в позиции замещения атомов азота.
Ведутся теоретические исследования новых материалов с целью оценки их уникальных физико-химических свойств. Были предсказаны новые квазидвумерные гетероструктуры, состоящие из чередующихся слоев графена и нитрида бора. Показано, что такие пленки можно синтезировать с помощью, так называемого химически индуцированного фазового перехода, а их уникальные электронные свойства, сильно зависящие от соотношения количества слоев углерода и нитрида бора, дают все основания говорить об обнаружении нового пути создания наноструктур с контролируемыми электронными свойствами. Направление развивается совместно с экспериментальными группами из Национального института материаловедения (NIMS, г. Цукуба, Япония) и Квинслендского технологического университета (QUT, г. Брисбен, Австралия). Одной из важных целей этих исследований является экспериментальное и теоретическое изучение одномерных наноструктур – нанопроводов различного состава. Группой проведен цикл работ по теоретическому исследованию электронных и оптических свойств нанопроводов сульфида кадмия CdS в зависимости от их изгиба. Важнейшим результатом стало выявление проводимости в гибридных нанопроводах в процессе их изгиба.
В ближайшее время группой проф. Л.А. Чернозатонского предполагается провести моделирование структуры, энергетики образования и физико-химических свойств следующих объектов:
Предполагается проведение модельных расчетов с использованием современных квантово-химических методов на основе теории функционала плотности и молекулярной динамики. Будет получена теоретически обоснованная информация о структуре, стабильности и электронном строении перечисленных наноструктур и построены модели новых элементов наноэлектроники и спинотроники.
В заключение хочется отметить, что профессор Л.А. Чернозатонский не только талантливый ученый, но и прекрасный художник, поэт, музыкант и одаренный, творческий человек, способный устраивать в Институте прекрасные художественные вернисажи и издавать юбилейные книги своих стихов и рисунков «Фантасгармонии».
