Российские ученые предложили новый способ получения наноструктур

Способов получения наноструктур существует великое множество. Можно распылять вещество лазером, осаждать из расплава, облучать газоразрядной лампой и даже соскребать со стенок термоядерного реактора. А можно просто растворить наночастицы в воде и подождать, пока она высохнет. Учёные из Центра фотохимии РАН и компании СИАМС (Системы анализа изображений и моделирования структур) создали математическую модель, которая позволяет предсказать, как именно изменение свойств подложки, концентрации частиц, температуры среды и других параметров повлияет на образующуюся структуру. Это означает, что таким несложным способом теперь можно получать упорядоченные структуры с заданными свойствами.

Работа, выполненная при поддержке ФЦП<Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы>и РФФИ, будет опубликована в ближайшем номере журнала<Российские нанотехнологии>. Она представляет интерес как для фундаментальной, так и для прикладной науки. Во-первых, исследование развивает теорию упорядочения в диссипативной системе — основную область интересов синергетики. Процессы самосборки организованных структур в неравновесных открытых системах обеспечивают, например, существование органической жизни, и поэтому их математическое моделирование является очень востребованной задачей. Во-вторых, программа позволяет проектировать микроструктуры и материалы с определенной морфологией. Получаемые ансамбли частиц могут быть как двумерными, так и трехмерными, и отличаться плотностью распределения частиц на подложке, типом упаковки и другими параметрами.

Пётр Лебедёв-Степанов и его коллеги исследовали параметры системы, влияющие на конечный результат — свойства поверхности, размер и массу частиц, вязкость растворителя и так далее. Все эти характеристики были внесены в компьютерную модель, описывающую процесс испарения жидкости и динамику движения наночастиц внутри капли. Полученная программа описывает процесс высыхания капли с учётом разнообразных параметров, от броуновского движения до силы адсорбции, и позволяет с высокой точностью предсказать характеристики структуры, формирующейся после высыхания. Для экспериментальной проверки модели авторы использовали капли воды со взвешенными в ней полистирольными частицами размером 540 нм. Частицы занимали 0,5 или 1 процент от всего объема капли, равного 280 пиколитрам (1 пиколитр = 10-12 литра).

Наноструктуры в основном формируются на периферии высыхающей капли. Испарение воды по краям вызывает гидродинамические потоки жидкости, направленные от центра капли, а они увлекают содержащиеся в воде частицы. В результате возникает кольцеобразная структура, параметры которой могут быть изменены предсказуемым образом при внесении различных поправок в стартовые параметры системы. Авторы доказали, что предложенная ими компьютерная модель хорошо воспроизводится в экспериментальных условиях, а значит, может широко применяться в прикладных научных исследованиях. Об этом сообщает Информнаука.