Тема номера – «Космос»

СОДЕРЖАНИЕ

Слово редактора Что есть «нано»? ………………………2

Дайджест………………………………..6

Космические каскады

В космических аппаратах применяют два вида солнечных элементов – кремниевые и арсенид-галлиевые на германиевой подложке. Первые производить дешевле и проще, поэтому они занимают подавляющую долю российского рынка. Для вторых требуются дефицитные материалы, они стоят значительно дороже кремниевых, но гораздо эффективнее. Поэтому, несмотря на высокую цену, заказы на арсенид-галлиевые батареи растут, а значит, в России выгодно развивать собственное производство этих солнечных модулей…………………………………10

От форсунок до сенсоров

Перед нанопорошковыми технологиями в авиационно-космической отрасли открыты большие перспективы, как с научной, так и с коммерческой точки зрения. Особенно это относится к таким направлениям, как новые структурные материалы, хранение и выделение энергии, хранение и передача информации, системы жизнеобеспечения и мониторинга. В ближайшие 10–15 лет следует ожидать технологического прорыва в этой области.……………………………………………………………………………………..12

Наноплазмоника

Благодаря успехам в производстве и визуализации металлических и полупроводниковых наночастиц быстро развивается новая область нанотехнологий – наноплазмоника. О ее перспективах и достижениях рассказывает доктор физико-математических наук Василий Климов…………………………………………………………………………14

Лопатки для двигателя пятого поколения

Об опытах зарубежных ученых по улучшению характеристик лопаток газотурбинного двигателя при помощи нанотехнологий рассказывает Андрей Федотов, директор по развитию НПФ «Элан-Практик» (Дзержинск, Нижегородская обл.)………………………………………………………………………………………..16

Самолет – не железная птица

В России плохо развита инфаструктура производства авиационных углепластиков. Исправить ситуацию поможет выпуск полуфабрикатов для них – препрегов…………………………………………………………………………....19

Спектрометр будет искать жизнь на Марсе

Компания Nano-Optic Devices создает наноспектрометр, работающий в видимом и ближнем ИК-диапазоне, для будущей миссии к Марсу………………………………..20

Любознательность – это то, что делает нас людьми

Отдел нанотехнологий в Исследовательском центре им. М.В. Келдыша образован совсем недавно – в 2007 г. Корреспондент РН Дмитрий Чулкин побеседовал с его руководителем к. ф.-м. н. Ражудином Ризахановым о работе и планах на будущее…………………..22

Суперзащита для самолетов

На примере современного самолета можно изучать практически любую область науки и техники, особенно материаловедение. Действительно, нагрузка на ряд его узлов так велика, а срок службы настолько продолжителен, что их изготавливают только из материалов с выдающимися свойствами. Таковы углепластики для обшивок и специальные керамики для газотурбинных двигателей, разрабатываемые во Всероссийском институте авиационных материалов………………………………….24

Готовые решения

История ФГУП «ОНПП «Технология» началась в 1959 г. вместе со строительством в Обнинске экспериментального завода по производству неметаллических авиационных материалов. С тех пор предприятие сменило много названий, а в 1994 г. получило статус Государственного научного центра Российской федерации. Нанотехнологические разработки предприятия находят применение на современном рынке авиационно-космической техники……………………………………………………………………...26

Младшие братья

Научное движение за сверхмалые орбитальные аппараты крепнет с каждым годом. Специалисты уверены, что их следующее поколение – наноспутники – изменит экономику космической отрасли………………………………………………………..28

Нанотрубки, нанесенные на поверхность, увеличивают ее прочность и прозрачность 31

Л.М. Бронштейн, З.Б. Шифрина Наночастицы в дендримерах – от синтеза к применению

В настоящем обзоре рассмотрены способы получения наночастиц (НЧ) металлов, их оксидов и халкогенидов в присутствии различных дендримеров и дендронов. Дендримерам, их свойствам и применению в различных областях нанотехнологий посвящено множество обзоров, что свидетельствует о растущем интересе исследователей к этому уникальному классу монодисперсных высокоразветвленных макромолекул с высокоупорядоченной контролируемой структурой. Специфические магнитные, оптические, электронные свойства нанокомпозитов дендримеров (дендронов) с НЧ определяют перспективу их использования в медицине [54–58], катализе [32, 58–60], в качестве молекулярных сенсоров [61–65] и т.д. Дендримеры успешно стабилизируют НЧ, играя при этом роль темплата (НЧ образуются внутри дендримера) или поверхностно-активных веществ (ПАВ), когда дендримеры являются стабилизирующими молекулами, и НЧ образуются между дендримерами. Функционализированные дендроны также могут использоваться как стабилизирующие агенты: (1) непосредственно при формировании НЧ или (2) при последующей их функционализации путем замены первоначальных ПАВ на дендроны. Уникальные достоинства дендримеров полностью реализованы в тех случаях, когда дизайн дендримеров или условия получения позволяют (1) формировать очень маленькие частицы (например, флуоресцентные нанокластеры золота и серебра) или (2) контролировать размер НЧ при варьировании генерации дендримера или других условий, что позволяет регулировать свойства нанокомпозитов. Поскольку структура дендримеров (дендронов) существенно отличается от структуры традиционных ПАВ даже в тех случаях, когда роль дендримеров (дендронов) сводится только к роли ПАВ, это приводит к возможностям направленно изменять растворимость, функциональность и морфологию нанокомпозитов на их основе………………………………………………………..32

В.Г. Плотников, В.А. Смирнов, М.В. Алфимов О фотохимии примесных молекул в фотонном кристалле

Рассмотрены поведение квантового выхода фотохимических процессов в многоатомных примесных молекулах, находящихся в фотонном кристалле, его зависимость от относительного положения запрещенных зон кристалла и энергии нижних возбужденных состояний молекулы. При условии, что энергия нижнего синглетного фотохимически активного состояния молекулы попадает в запрещенную зону кристалла, должен наблюдаться рост квантового выхода фотохимической реакции по сравнению с его величиной в обычных растворах. К таким реакциям относятся реакции изомеризации, диссоциации, переноса протона, окисления. Приведены примеры систем, в которых следует ожидать проявления этого эффекта. Обсуждаются также реакции, протекающие в нижнем и верхних триплетных состояниях, возбуждаемых двухквантовым путем, и реакции, сенсибилизированные при межмолекулярном переносе энергии электронного возбуждения…………………………………………………………………………..56

Ю.В. Мартыненко, М.Ю. Нагель Образование развитого нанорельефа осаждаемых пленок

Предложена модель образования нанорельефа пленок, формируемого при осаждении на поверхность потока атомов на основе роста структур из одиночных атомов, диффундирующих по поверхности. Причиной появления сложной фрактальной структуры пленки является образование устойчивых кластеров либо в результате флуктуационного образования зародышей критического размера, либо на примесных атомах, являющихся центрами зарождения кластеров. При высоких температурах возможен перенос адатомов к более горячим элементам рельефа вследствие убывания энергии активации диффузии с ростом температуры. Это способствует образованию фрактальной структуры пленки. На более поздней стадии роста фрактальной пленки основным механизмом роста становится диффузионно ограниченная агрегация осаждаемых атомов. Размер минимального кластера фрактальной структуры определяется диффузионным разравниванием и равен rmin = 2σa3/T, где σ – поверхностное натяжение, T – температура поверхности, а – атомный размер……………………………………………………………………….59

Д.К. Белащенко, А.Н. Сиренко, Д.Л. Тытик Влияние формы межчастичного потенциала на структурные превращения в металлических кластерах

Исследован методом молекулярной динамики процесс превращения кубооктаэдрических кластеров «магических» размеров в икосаэдрическую конфигурацию в интервале температур от 0 K до 1100 К. Применяли парный потенциал Леннард-Джонса и много- частичный потенциал модели погруженного атома (Embedded Atom Model – ЕАМ) для серебра. Температура начала превращения растет с увеличением размера кластера. В случае потенциала Леннард-Джонса, эквивалентного потенциалу ЕАМ по энергии и параметру решетки ГЦК-серебра, температуры превращения значительно выше, чем при потенциале ЕАМ. Время ожидания превращения обнаруживает значительный разброс. Для каждого межчастичного потенциала вероятность превращения при всех размерах и температурах кластеров описывается единой формулой типа Аррениуса, причем эффективная энергия активации растет с увеличением размера кластера. Энергия икосаэдрической конфигурации ниже кубооктаэдрической во всех случаях. Рассчитаны колебательные спектры и энтропия кластеров. Энтропия икосаэдрической конфигурации немного ниже кубооктаэдрической…………………………………………………..64

А.В. Окотруб, А.Г. Куреня, А.В. Гусельников, А.Г. Кудашов, Л.Г. Булушева, А.С. Бердинский, Ю.А. Иванова, Д.К. Иванов, Е.А. Стрельцов, Д. Финк , А.В. Петров, Е.К. Белоногов Автоэмиссионные свойства углеродных нанотрубок и SiC вискеров, синтезированных с использованием частиц Ni, осажденных в ионных треках SiO₂

Углеродные нанотрубки (УНТ) и SiC вискеры синтезированы в результате пиролиза паров ацетонитрила на наночастицах никеля, осажденных в порах, полученных при протравливании треков ионов тяжелых металлов в диэлектрических слоях SiO2 на монокристаллических подложках кремния. Полученные структуры исследованы методами растровой электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света, измерены их автоэмиссионные характеристики. Обнаружено, что формирование УНТ или SiC вискеров в результате каталитического пиролиза углеводорода определяется степенью заполнения ионных треков кластерами никеля. Показано, что порог появления электронной эмиссии составляет 1 В/мкм для обоих типов образцов, различия в форме вольт-амперных характеристик объясняются различиями в электронной структуре УНТ и SiC вискеров……………………………………………………………………………...72

М.В. Харламова, М.М. Бржезинская, А.С. Виноградов, И.П. Суздалев, Ю.В. Максимов, В.К. Имшенник, С.В. Новичихин, А.В. Крестинин, Л.В. Яшина, А.В. Лукашин, Ю.Д. Третьяков, А.А. Елисеев Формирование и свойства одномерных нанокристаллов FeHal2 (Hal=Cl, Br, I) в каналах одностенных углеродных нанотрубок

Путем капиллярного заполнения каналов одностенных углеродных нанотрубок (ОСНТ) расплавами галогенидов железа были получены нанокомпозиты FeCl₂@ОСНТ, FeBr₂@ОСНТ и FeI₂@ОСНТ. Композиты исследованы методами ПЭМ ВР, капиллярной конденсации азота при 77 К, спектроскопии комбинационного рассеяния (КР), спектроскопии оптического поглощения, рентгеновской абсорбционной спектроскопии, РФЭС и Мессбауэровской спектроскопии. Выявлены существенные различия в спектрах КР ОСНТ и нанокомпозитов в области радиальных мод и в области продольных и тангенциальных колебаний. Для нанокомпозитов установлено наличие электронного переноса между нанокристаллом и стенкой ОСНТ. Для нанокомпозита FeCl2@ОСНТ обнаружено два состояния Fe²⁺: для первого характерен электронный перенос c нанотрубки на нанокристалл, приводящий к изменению электронной структуры ОСНТ FeCl₂; второе отвечает напряженному интеркалированному состоянию в результате механического воздействия ОСНТ малого диаметра на нанокристалл FeCl₂……….77

Р.Ф. Минибаев, А.А. Багатурьянц, Д.И. Бажанов, А.А. Книжник, М.В. Алфимов Первопринципное исследование работы выхода электрона с поверхности (001) оксида индия (In2O3) и оксида индия, легированного оловом (ito), в зависимости от степени окисления поверхности

В рамках теории функционала плотности теоретически исследовано строение и свойства поверхности (001) чистого оксида индия In₂O₃ и оксида индия, легированного оловом (indium tin oxide, ITO). В расчетах использован обменно-корреляционный функционал PBE и ультрамягкие псевдопотенциалы. Результаты расчетов зонных структур кристаллических объемных In₂O₃ и ITO и их кристаллических пластин с поверхностью (001) при разных степенях окисления сопоставлены между собой, и выявлены особенности зонной структуры, связанные с поверхностными состояниями. Проанализирована зависимость рассчитанной работы выхода электрона с поверхности (001) In₂O₃ и ITO от степени окисления поверхности. Установлено, что с увеличением степени окисления поверхности работа выхода электрона увеличивается………………………………………………88

П.М. Валецкий, М.Г. Сульман, Л.М. Бронштейн, Э.М. Сульман, А.И. Сидоров, В.Г. Матвеева Наноразмерные катализаторы в тонком органическом синтезе – основа для разработки инновационных технологий в фармацевтической отрасли

Изучение каталитических свойств наноразмерных частиц благородных металлов, стабилизированных в наноструктурированной матрице сверхсшитого полистирола (СПС), показало перспективность применения этих систем в реакциях селективного окисления, гидрирования и энантиоселективного гидрирования, которые зачастую используются при синтезе витаминов и лекарственных средств. Использование наноразмерных катализаторов в промышленном масштабе позволяет сократить стадии производства, увеличить выход продукта и повысить экологическую безопасность существующих производств. В обзоре обсуждается синтез моно- (Pt, Ru, Pd), би- (Pt-Pd, Pt-Ru, Pd-Ru) и триметаллических (Pt-Pd-Ru) наночастиц в порах полимерной матрицы СПС, их структура и каталитические свойства. Физико-химические исследования показали, что формирование металлосодержащих наночастиц зависит от свойств наноструктурированной полимерной матрицы, природы исходного прекурсора металла и от условий синтеза. Показано, что имеются все основания рекомендовать использование наноразмерных катализаторов в важнейшей области тонкого органического синтеза − получении субстанций для лекарственных средств, витаминов и пищевых добавок, т.е. в фармацевтической и пищевой промышленности…94

М.П. Цюрупа, З.К. Блинникова, Н.А. Проскурина, А.В. Пастухов, Л.А. Павлова, В.А. Даванков Сверхсшитый полистирол – первый нанопористый полимерный материал

В статье описываются принципы синтеза, особенности структуры и отличительные свойства сверхсшитого полистирола. Его получают интенсивным сшиванием сольватированных полистирольных цепей жесткими мостиками-распорками. В результате образуется однофазная ажурная упругая сетка, способная значительно деформироваться при набухании или приложении внешней силы. Огромный свободный объем в жесткой сверхсшитой сетке, по существу являющийся пористостью нового типа, образован межцепными полостями нанометрового размера (1.5–3 нм). Полная доступность внутренней структуры сверхсшитого полистирола для низкомолекулярных веществ и значительное нескомпенсированное силовое поле разъединенных распорками полимерных цепей предопределяют великолепные адсорбционные свойства материала. В статье дано краткое описание нескольких процессов, которые стали возможными только благодаря применению нанопористого сверхсшитого полистирола как сорбционного хроматографического материала или матрицы для получения нанокомпозитов…….109

М.А. Мазо, Л.И. Маневич, Н.К. Балабаев Молекулярно-динамическое моделирование структуры и термомеханического поведения кристаллов монтмориллонита

Глинистый слоистый минерал монтмориллонит, основу структуры которого составляют пластинчатые кристаллы (ламели) толщиной около 1 нм, привлекает особое внимание, поскольку он используется в различных отраслях промышленности, таких как нефтяная, химическая, строительная, пищевая, косметическая, при захоронении отходов (в т.ч. радиоактивных) и др. Особый интерес к этому минералу возник после того, как было обнаружено, что относительно небольшие добавки наночастиц монтмориллонита в полимерную матрицу существенно улучшают механические и тепловые свойства композита, а также уменьшают его влаго- и газопроницаемость. Такие полимерные нанокомпозиты уже используются как защитные пленки при упаковке, в качестве противопожарных покрытий, в аэрокосмической и автомобильной промышленностях и весьма перспективны для авиации, медицины и пр. Для вычисления механических свойств композита требуется знание модулей упругости и тепловых свойств его компонент, в т.ч. и частиц глины. Однако монтмориллонит не является совершенным кристаллом, поэтому экспериментальное изучение его механических свойств представляет довольно сложную проблему. В этой ситуации весьма полезным становится компьютерное моделирование. В данном обзоре рассматриваются численные молекулярно-динамические эксперименты, которые позволяют рассчитывать структурные, тепловые и механические характеристики как отдельных ламелей, так и кристаллов (тактоидов) монтмориллонита, которые содержат ионы, молекулы воды или олигомеры полиэтиленоксида…………………………………..118

Э.В. Штыкова, К.А. Дембо, В.В. Волков, Э.Е. Саид-Галиев, А.И. Стаханов, А.Р. Хохлов Формирование наночастиц серебра в матрице ПВП в среде сверхкритического СО₂: малоугловое рентгеновское рассеяние и моделирование

Методом малоуглового рентгеновского рассеяния (МУР) исследован процесс образования в среде сверхкритического CO2 наночастиц серебра в матрице поливинилпирролидона (ПВП). Использование современных методов интерпретации данных МУР, в т.ч. процедуры ab initio моделирования строения частиц по данным рассеяния, позволило впервые выявить структурную организацию как отдельных наночастиц металла, так и их кластеров, инкорпорированных в полимерную матрицу. Было показано, что поры в ПВП пленках являются не просто пустотами, а имеют сложную структуру, которая проявляется, когда эти полости контрастируются (заполняются) комплексонами металла и/или восстановленными металлическими наночастицами. Как следствие, форма, размер и распределение по размерам полученных металлических наночастиц и их кластеров определялись структурой формирующей среды, т.е. структурой ПВП пленки……..136

А.А. Балдин, Э.Г. Балдина Динамический контроль и оптимизация процесса облучения трековых мембран

Создан комплекс динамической диагностики процесса облучения пленок для производства трековых мембран. Комплекс включает программы для моделирования и оптимизации режимов облучения и систему динамической диагностики пучка ионов на основе прозрачных профилометров и двух вариантов измерительной системы. Созданная система динамической диагностики позволяет измерять параметры облучения с временным разрешением 100 мкс. Исследованы режимы работы ускорительного комплекса «Альфа» (ЗАО «Трекпор Технолоджи») и даны рекомендации по оптимальным режимам облучения и использованию комплекса как части метрологического обеспечения технологии промышленного облучения пленок………………………………….144

Н.А. Глушков, Т.Т. Басиев, Ю.В. Орловский Кинетика статического тушения оптического возбуждения в кристаллических наночастицах

Приведен сравнительный анализ кинетических кривых (полученных путем моделирования методом Монте-Карло для случая возбуждения доноров коротким (tимпульс < τD) импульсом) статического донор-акцепторного тушения в образце, состоящем из сферических наночастиц одного диаметра, и в массивном кристалле. Аналитически исследовано влияние конечного размера наночастиц на процесс статического донор-акцепторного тушения электронных возбуждений в наночастицах с кристаллической структурой. Обнаружено, что в объемных сферических наночастицах скорости тушения WАупор и WВ упор на упорядоченном участке кинетики и параметры тушения γFA и γF В на неупорядоченном участке кинетики для доноров, заселивших узлы в центре (А) и поверхностном слое (В) наночастиц, отличаются в 2 раза в пользу доноров, заселивших центральные узлы (А). Предложено аналитическое выражение для описания неупорядоченного участка кинетики статического тушения Nd³⁺→OH-в образце, состоящем из сферических наночастиц одного диаметра со структу- рой Y²O³ (Ia3, Th73) с использованием только двух параметров переноса γFA и γFВ………………………………………………………………………………………152

В.Ф. Зарытова, В.В. Зиновьев, З.Р. Исмагилов, А.С. Левина, М.Н. Репкова, Н.В. Шикина, А.А. Евдокимов, Е.Ф. Беланов, С.М. Балахнин, О.А. Серова, С.И. Байбородин, Э.Г. Малыгин, С.Н. Загребельный Исследование проникновения наночастиц диоксида титана и их коньюгатов с олигонуклеотидами в эукариотические клетки

В настоящей работе исследована возможность введения TiO₂-наночастиц и наноконъюгатов в клетки без специальных воздействий, в отличие от данных предыдущих исследований, в которых клетки подвергали электропорации. Для формирования конъюгатов с олигонуклеотидами и их производными были использованы наночастицы TiO2, полученные гидролизом TiCl₄, в виде коллоидных растворов с концентрацией 0.3 М по TiO₂. Электронно-микроскопическое исследование культур клеток КСТ, VERO и MDCK, обработанных растворами наночастиц с концентрацией 20 мкг/мкл показало, что наночастицы попадают в цитоплазму клеток и накапливаются в вакуолях и фагосомах, а также образуют небольшие скопления в цитоплазме клеток. Таким образом, в настоящей работе продемонстрировано проникновение наночастиц TiO₂ и их конъюгатов с олигонуклеотидами в клетки перевиваемых культур без каких-либо вспомогательных процедур…………………………………………………………………………..160

Е.С. Трофимчук, Н.И. Никонорова, Е.А. Нестерова, А.М. Музафаров, И.Б. Мешков, А.Л. Волынский, Н.Ф. Бакеев Получение пленочных композитов на основе крейзованных полимеров и наночастиц силиказоля

Используя процесс крейзинга изотактического полипропилена и полиэтилена высокой плотности в растворе молекулярного силиказоля в тетрагидрофуране, получили пленочные полимер/кремнеземные нанокомпозиты. Разработанный метод позволяет однородно диспергировать частицы SiO₂ диаметром 5–15 нм в объеме полимерной матрицы. Выявлены условия формирования на поверхности полимеров фрагментированного рифленого покрытия из кремнезема……………………164

«Журнал «Российские нанотехнологии», 9–10 номер 2009 год» Для ознакомления высылаем один номер бесплатно – обращайтесь в редакцию. Телефон/ факс: +7 (495) 930–88–06, podpiska@nanorf.ru, сайт журнала – www.nanoru.ru