Российские ученые из Омского государственного технического университета разработали метод самосборки атомов и молекул в двумерные нанообъекты, который в будущем позволит производить их в промышленных масштабах для множества разных задач. Работа была выполнена в рамках гранта Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в журнале Physical Review B.

В рамках гранта РНФ исследователи из Омского государственного технического университета разработали программный продукт, позволяющий заранее предсказать, какие наноструктуры можно искусственно получать из определенных молекул.

Ученые умеют манипулировать веществом на уровне отдельных атомов. Своеобразным достижением стала публикация в 1990 году статьи в журнале Nature, в которой описывалось, как ученые с помощью сканирующего туннельного микроскопа сумели выложить из 35 атомов ксенона буквы IBM. Сегодня разнообразные конструкции, собираемые искусственно из отдельных атомов, могут иметь размеры до десятых долей нанометров (для сравнения - размер одной молекулы воды около 0,3 нанометров). Такие структуры уже находят применение в целом спектре практических приложений. Благодаря им создают новую электронику, всевозможные точные и надежные датчики типа "электронный нос" и катализаторы для химической промышленности. Наконец, манипулирование веществом с атомарной точностью находит широкое применение в медицине - при целевой доставке лекарств.

При конструировании структур с точностью до атома в них начинают проявляться интересные квантовые свойства. На атомном уровне можно сделать множество различных объектов, буквально водя иглой микроскопа по поверхности подложки и выстраивая атомы в нужном порядке. Проблема в том, что такой метод не позволяет производить необходимые наноразмерные объекты массово, поэтому для их практического применения необходим процесс, который будет собирать такие конструкции автоматически, - метод самосборки.

"В природе мы видим этот процесс в ДНК - очень сложной конструкции, которая сама собирается с точностью до атома в огромных количествах в живых организмах", - поясняет старший научный сотрудник Омского государственного технического университета Павел Стишенко.

Сымитировав аналогичные процессы, ученые смогут собирать то, что им нужно: различные конструкции необходимых размеров, всевозможные нанотрубки, которые в настоящее время изготавливаются довольно грубо. В процессе самосборки основным фактором являются квантовые силы, которые описывает уравнение Шредингера, не имеющее простых решений при описании сложных систем.

"Мы разработали инструментарий, который позволяет исследовать процессы самосборки на компьютере, не проводя сложные, долгие и дорогие эксперименты", - пояснил Стишенко.

В своей работе ученые применили разработанные ранее программы, алгоритмы и методы для исследования димерных молекул на подложке, имеющей сотовую структуру (яркий пример такой структуры - графен). Димерами называются молекулы, состоящие из двух одинаковых элементов (атомов, радикалов, групп), они имеют осевую симметрию и два активных центра, что делает их похожими на гантели.

Молекулы-димеры могут образовывать на поверхности конструкции, интересные тем, что в них наблюдается так называемая "чертова лестница" фазовых переходов. Привычная нам вода имеет три четко разделяемые фазы: лед, пар и жидкое состояние. В отличие от нее, некоторые вещества, как выяснилось, могут обладать бесконечным количеством довольно устойчивых фаз - конкретных структур, формирующихся на поверхности. Термин "чертова лестница" иллюстрирует собой график фазовых переходов, который в этом случае похож на лестницу конечной длины с бесконечным количеством ступенек.

В случае димеров вся поверхность оказывается разбитой на треугольники. Такая фаза наиболее энергетически выгодна, то есть имеет наименьшую энергию. Треугольная форма при этом диктуется симметрией сотовой решетки, на которой происходит самосборка. Поскольку размеры треугольников могут быть любыми (сторона может состоять из двух, трех, пяти и иного количества молекул), есть бесконечное число способов "закрыть" ими поверхность. Ученые показали, что при создании наноразмерных структур размеры треугольников легко варьировать, всего лишь изменяя внешние условия самосборки, например, меняя давление газа. В параметры модели закладывается геометрия выбранных молекул и энергия их взаимодействия между собой, на выходе получается набор возможных фаз вещества, полученных в процессе самосборки.

"Меняя всего один макроскопический параметр, давление, мы можем получать разные фазы вещества, - пояснил Стишенко. - По сути, мы нашли способ делать треугольные кирпичи, из которых в будущем можно сделать что угодно в любых количествах".

Найдя способ реализации процессов самосборки на поверхности, ученые надеются перейти от "нанонауки" к нанотехнологиям, которые смогут давать конечный продукт - наноразмерные объекты в нужных количествах.

Похожие новости

  • 25/04/2018

    Сотрудники ОмГТУ исследовали поведение двухкомпонентной газовой смеси при ее осаждении

    ​Сотрудники Омского государственного технического университета (ОмГТУ) построили решеточную модель и исследовали поведение двухкомпонентной газовой смеси при ее осаждении на поверхность твердого тела. Полученные данные иллюстрируют практически все возможные варианты взаимодействия молекул на плоскости и могут быть полезны для истолкования результатов специалистов в самых разных областях химической науки.
    395
  • 24/10/2017

    Ученые ОмГТУ разрабатывают технологию передачи данных для удаленной связи в Арктике

    ​Специалисты Омского государственного технического университета (ОмГТУ) при поддержке Российского научного фонда (РНФ) разрабатывают технологию передачи коротких сообщений по радиоканалу для удаленной связи в Арктике.
    524
  • 14/12/2018

    Ученые ТПУ создадут комплекс, чтобы обезопасить лучевую терапию

    ​Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) к концу 2020 года планируют создать аппаратно-программный комплекс, который позволит легко и безопасно делать коллиматоры – устройства, защищающие здоровые ткани во время лучевой терапии; проект получил грант РНФ в размере 15 миллионов рублей, сообщил РИА Томск доцент Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Юрий Черепенников.
    94
  • 07/09/2018

    Томские ученые синтезировали керамику с люминесцентными свойствами

    Доцент Инженерной школы новых производственных технологий Томского политехнического университета Дамир Валиев представил исследование на одной из ведущих международных конференций по физике оптических материалов и устройств «ICOM 2018 Conference on the Physics of Optical Materials and Devices​», которая недавно прошла в городе Игало (Черногория).
    240
  • 25/04/2018

    Наночастицы помогут разглядеть белки при экстремально высоких температурах

    ​Российские ученые создали многофункциональное наноустройство из диэлектрических наночастиц на металлической подложке. С его помощью можно определять температуру и состояние окружающих молекул.
    341
  • 16/03/2018

    Омские ученые заставили молекулы строить «лестницы дьявола»

    ​Ученые из Омска заставили одиночные звенья полимерных молекул самостоятельно объединяться в двумерные нанообъекты, которые физики называют "лестницей дьявола", из которых можно собирать структуры любой формы и размеров, сообщает РИА Новости.
    463
  • 15/01/2018

    Российские ученые выяснили, как способ обработки полипропилена влияет на механические свойства конечного изделия

    ​Коллектив учёных, в том числе из Института синтетических полимерных материалов РАН и МФТИ, выяснил, как «правильность» молекул полипропилена и способ обработки влияют на механические свойства конечного изделия.
    559
  • 20/08/2018

    Учеными созданы железные спирали тоньше человеческого волоса

    ​Исследователи СПбГУ смогли синтезировать микроспирали соединений железа диаметром около 12 микрон - почти в десять раз тоньше человеческого волоса. Их можно будет использовать, например, для создания сенсоров с высокой чувствительностью, а также в качестве миниатюрных электромагнитов или индукторов.
    249
  • 30/03/2017

    ТУСУР завершает работу по созданию интеллектуальных покрытий для космических аппаратов

    В лаборатории радиационного и комического материаловедения ТУСУРа завершаются работы по созданию интеллектуальных отражающих покрытий на основе соединений титаната бария, нанесённых детонационным методом.
    855
  • 21/02/2017

    Разработки ТПУ для имплантологии выходят на стадию клинических испытаний

    ​Биодеградируемые имплантаты Томского политехнического университета выходят на стадию клинических испытаний. Как сообщают ученые ТПУ, на стадии доклинических исследований эффективность томских изделий уже доказана, и сегодня некоторые биоразлагаемые имплантаты Томского политеха сегодня частично используются в медицинской практике в одном из ведущих ортопедических центров России - Центре Илизарова.
    1598