Архангельский физик расширил возможности прогнозирования ионной бомбардировки
Теоретическая модель, созданная физиком Северного Арктического федерального университета Сергеем Капустиным, позволяет предсказывать вероятность получения кластера — кусочка твердого тела из нескольких атомов вещества — с заданными характеристиками. Чрезвычайно малые количества атомов могут иметь принципиально иные свойства, чем большой объем того же самого вещества, и это их свойство используется в нанотехнологиях.
Полировка поверхности твердых веществ, создание микросхем и наночастиц — их объединяет процесс, известный в промышленности ещё с XIX века, ионное распыление. Чтобы воздействовать на поверхность твердого тела в атомарном масштабе, его подвергают бомбардировке ускоренными ионами. Выход образований из нескольких атомов активно проявлялся, например, при производстве микросхем, эксплуатации стенок атомных реакторов, но несмотря на это долгое время не имел теоретического объяснения.
«Сегодня активно развиваются нанотехнологии — методы работы с чрезвычайно малыми количествами вещества. Они могут иметь принципиально иные свойства, чем те тела, которые нас окружают. Например, железо не горюче, а 50 атомов железа самовоспламеняются на воздухе. Большой кусок железа хорошо проводит ток, а 50 атомов железа — полупроводник. То есть в сверхмалых количествах вещество ведет себя иначе. Поэтому в некоторых случаях интересна не просто обработка твердого тела ускоренными ионами, а именно осколки, которые эти ионы выбивают. Я создал простую аналитическую модель, которая позволяет описать режим выбивания наночастиц нужного размера и связать между собой характеристики таких осколков», — рассказывает ученый.
Сергей Николаевич описал свою аналитическую модель в кандидатской диссертации «Исследование процессов образования кластеров и наночастиц при ионной бомбардировке поверхности твердого тела», которую защитил в МФТИ.
Кроме обеспечения предсказуемости результата ионной бомбардировки, полученная аналитическая модель позволит упросить некоторые исследовательские установки, например источники кластерных ионов или электронные микроскопы, убрав из них те блоки, которые отвечали за регистрацию трудно обнаруживаемых кластеров. Теперь можно рассчитать вероятность их выбивания теоретически.
Кусочки вещества размером в несколько атомов могут быть нанесены на поверхность вещества для создания защитной пленки или вмонтированы в него — для прочности. Кластеры могут найти применение в наноэлектронике, медицине, химии. Также Сергей Капустин изучает композиты с фундаментальных позиций: например, как выбрать размер нанотрубки для композита, как химически ее обработать, как лучше ее вводить в смесь, чтобы достичь максимального увеличения прочности.
«Сейчас в основном я занимаюсь композитами. Есть, например, смесь полимерной смолы с углеродными нанотрубками, которые делают ее прочнее примерно раза в два. Полимеры широко применяются в конструкционных материалах и покрытиях. Я же пытаюсь улучшить их свойства», — объясняет Сергей Николаевич.
Такие смеси, например, могут замедлить разрушение винтов корабля в тяжелых условиях эксплуатации, если нанести их на лопасти винта как защитное покрытие.
