Ученые НИТУ «МИСиС» предложили способ однозначного определения механической жесткости наноструктур. Исключив из определения объем, который на атомном уровне становится плохо определимой величиной, коллектив определил механическую жесткость ряда наноструктур. Новый способ позволит лучше подбирать материалы с необходимыми свойствами.

Используя улучшенную методологию, ученые установили, что алмазные нанокластеры имеют большую механическую жесткость по сравнению с цельным кристаллом алмаза. Новый материал сможет найти применение в целом ряде высокотехнологичных областей, в том числе в микросистемной электронике, ядерной промышленности, а также при изготовлении режущего, бурового и абразивного инструмента.

Методика была проверена на примере алмазных нанокластеров, статья об исследовании опубликована в журнале Carbon.

Существует целый ряд высокотехнологичных областей, для которых требуются материалы с высокими механическими характеристиками. Зачастую кандидатами на эту роль выступают наноразмерные материалы. Механическую жесткость материала обычно принято характеризовать его упругими модулями.

Однако в случае наноразмерных материалов как экспериментальное измерение, так и теоретический расчет упругих модулей сталкиваются с фундаментальной проблемой неопределенности объема на таком масштабе. Это можно проиллюстрировать следующим примером: при измерении механических свойств нанотрубок требуется информация о ее поперечном сечении, что сразу же приводит к вопросу о толщине стенки нанотрубки. Значение этого параметра по порядку величины равно радиусу атома, что приводит к погрешностям в соответствующих измерениях.

Ученые НИТУ «МИСиС» изучили данную проблему теоретически (методами моделирования на атомном уровне) и нашли способ усовершенствовать формулу вычисления жесткости наноматериалов, исключив из нее переменную объема и заменив ее на коэффициент средней жесткости связи между атомами.

В отличие от упругих модулей, этот параметр поддается однозначному определению, так как не требуется знания объема структуры. Также он позволяет характеризовать жесткость всей структуры в целом. Идея модификации формулы возникла в процессе изучения алмазных нанокластеров – мельчайших алмазных частиц размером в несколько нанометров, не соединенных в единый кристалл.

Графическая репрезентация структуры алмазного нанокластера (слева) и сравнение жесткости нанокластера и цельного кристалла алмаза (справа). Как видно из диаграммы, алмазный нанокластер жестче в среднем на 17 процентов / ©Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

«Для определения уровня жесткости материала требуется знать объем кристалла. Однако когда речь идет о вычислениях на атомарном уровне, возникает проблема в определении объема отдельного атома в кристаллической решетке. Многие научные группы пытались определить жесткость алмазных нанокластеров через вычисление объема, и каждый раз получался новый результат. Мы же пошли по иному пути – модифицировали формулу определения жесткости материала, полностью исключив такую «плавающую» переменную, как объем», – комментирует доктор физико-математических наук, научный руководитель инфраструктурного проекта «Поиск и предсказание новых низкоразмерных структур и исследование их физико-химических свойств» лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Павел Сорокин.

Используя улучшенную методологию, ученые установили, что алмазные нанокластеры, как и предполагалось, имеют большую механическую жесткость по сравнению с цельным кристаллом алмаза. Подобный новый материал сможет найти свое применение в целом ряде высокотехнологичных областей, в том числе в микросистемной электронике, ядерной промышленности, а также при изготовлении режущего, бурового и абразивного инструмента.