Наноразмерные системы

Исследование процессов синтеза и свойств наноразмерных объектов является новым приоритетным направлением института. Развитие его в целом определяется разработкой новых технологий в материаловедении, электронике, измерительных приборах, лазерных системах, катализе и многих других областях. Исследования проводятся в сотрудничестве с ведущими научными центрами Германии, Франции, Швеции, Италии, США.

В институте созданы установки для синтеза фуллерена (С60) и углеродных нанотруб. Проведены исследования взаимодействия фуллерена с электронами и фотонами. В пересекающихся пучках впервые был зарегистрирован тепловой спектр излучения фуллерена, возбужденного электронами. Обнаружены аномально-оптические свойства фуллерена.

Разработан новый метод осаждения полимерных пленок из гиперзвуковой струи газифицированного твердого полимера. Наноразмерные структуры в виде порошка формируются при мягком осаждении на подложку. Метод реализован на примере получения тефло-ноподобных пленок и наночастиц из струи тетрафторэтилена.

Активно ведутся теоретические исследования формирования наноструктур при облучении материалов импульсным лазерным излучением. Разработаны модели нано- и микроструктурирования поверхностей диэлектриков, текстурирования тонких наноразмерных пленок.

Экспериментальные и теоретические исследования формирования кластеров и наночастиц при лазерной абляции направлены на выявление фундаментальных принципов синтеза наноразмерных структур в газовой фазе. Разработаны теоретические модели формирования кластеров в продуктах лазерной абляции.

В институте проводится исследование кластеров и биомолекул методами прямого моделирования, в том числе в неэмпирическом (ab initio) приближении. Введен новый, эвристический метод молекулярной динамики, заключающийся в контролируемом переходе от одного бассейна притяжения на поверхности потенциальной энергии к другому, позволяющий радикально (на порядки) сократить время исследования сложных систем.

Плазмохимический реактор для синтеза  углеродных нанотруб.	Схема электронного возбуждения и теплового излучения фуллерена.
Наноструктура на поверхности пленки золота, сформированная  под действием фемтосекундного лазерного импульса.  Слева – эксперимент F. Korte et а1. [Appl. Phys. А 79, 879 (2004)].  Справа – результат численного моделирования.

На плазмохимическом дуговом реакторе синтезированы наночастицы платины и палладия на углеродной матрице. Изменяя режимные параметры установки удается варьировать размер частиц в диапазоне 1–100 нм.

Обнаружен новый механизм формирования наночастиц оксидов металлов и наноструктурированных материалов в сверхкритической воде. Этот механизм используется для формирования каталитически активных наноструктурированных матриц из (ZnO)n и (NiO)n, которые резко увеличивают скорость конверсии тяжелых нефтяных остатков (природного и синтетического гудрона) через последовательность окислительно-восстановительных реакций.

Проведен расчет рассеяния света на наночастицах, расположенных вблизи металлической поверхности. В расчетах получены плазмонные резонансы с усилением поля в 100–1000 раз в щели между поверхностью и частицей. Этот эффект может использоваться в рамановской спектроскопии ультрамалых количеств вещества.

Установка для исследования кластеров при лазерной абляции.	Наночастицы (ZnO)n, полученные в  сверхкритическом водном флюиде.
	Структура пленки политетрафторэти- лена на полированной меди (T = 165 °С).

• Bulgakova N.M., Stoian R., Rosenfeld A., Hertel I.V., Campbell E.E.B. Electronic transport and consequences for material removal in ultrafast pulsed laser ablation of materials //Phys. Rev. 2004. V. 69.
• Krivov S.V., Chekmarev S.F. and Karplus M. Potential energy surfaces and conformational transitions in biomolecules: A successive confinement approach applied to a solvated peptide // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 88.
• Rebrov A.K., Sharafudinov R.S., Shishkin A.V., Timoshenko N.T. Free С2А4. Jet deposition of thin PTFE-like films. // Plasma Processes and Polymers. 2005. V. 2. N. 6.
• Nemshev O.A., Novopashin S.A., Perepelkin A.L. Quadrupolar light scattering by fullerene // Chem. Phys. Lett. 1995. V. 234. N. 1–3.
• Morjan R.E., Maltsev V., Nerushev 0., Yao У., Falk L.K.L., Campbell E.E.B. High growth rates and wall decoration of carbon nanotubes grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition // Chem. Phys. Lett. 2004. V. 383, N. 3, 4.
• Vostrikov A.A., Dubov D.Yu., Agarkov A.A., Galichin V.A., Drozdov S.V. Formation of fullerene positive and negative ions in the gas phase by collision with electrons // Molecular Materials. 1998. V. 10.
• Bulgakov A.V., Bobrenok O.F., Kosyakov V.I. Laser ablation synthesis of phosphorus clusters // Chem. Phys. Lett. 2000. V. 320, N. 1, 2.
• Geshev P.I., Klein S., Witting Т., Dickmann K., Hietschold M. Calculation of the electric field enhancement at nano-particles of arbitrary shape in close proximity to a metallic surface // Phys. Rev. B. 2004. V. 70.