Способов получения наноструктур существует великое множество. Можно распылять вещество лазером, облучать газоразрядной лампой или 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 – очень востребованная задача.
• Во-вторых, программа позволяет проектировать микроструктуры и материалы с определённой морфологией. Получаемые ансамбли частиц могут быть как двумерными, так и трёхмерными, и отличаться плотностью распределения частиц на подложке, типом упаковки и другими параметрами.

Пётр Лебедев-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 объёма капли, равного 280 пиколитрам (1 пиколитр = 10^–12 литров).

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.

Результаты исследований будут опубликованы в статье:

П. В. Лебедев-Степанов, Р. М. Кадушников, С. П. Молчанов, Н. И. Рубин, Н. А. Штуркин, М. В. Алфимов. Моделирование самосборки ансамблей микро- и наночастиц в испаряющейся микрокапле раствора. – Российские нанотехнологии. – № 1–2.- – 2011 год.