Популярные Нано Технологии

Размещение материала

Для размещения материала в данном разделе заполните пожалуйста эту форму.

Кадры

Фотогалерея

Биржа

Учеба

Динамика наноструктур в твердых телах / 18.12.2008

Источник: Научная часть ТГУ имени Г.Р.Державина

XXI век начался под знаком бурно развивающейся нанотехнологии, обещающей совершить революцию в социально-экономической сфере: в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, электронике, космонавтике, обороне, быту, культуре, развлечениях, причем, более глубокую, чем компьютерно-информационная революция последней трети ХХ века. А вместе они совершенно преобразят наш мир, нашу жизнь уже в ближайшие 10-20 лет. Это делает предельно актуальным изучение наноструктур, их поведения в различных условиях, а также разработку способов их создания, исследования и сертификации. Динамические характеристики нанообъектов и наноструктур дают ключ к пониманию их природы и оптимального использования в различных сферах деятельности человека.

 

1. История научной школы Ю.И. Головина «Динамика наноструктур»
Первые экспериментальные работы в области исследования быстропротекающих электрических явлений, обусловленных атомарными дефектами в твердых телах, были сделаны в средине 80-х годов прошлого века в самостоятельно оборудованной исследовательской лаборатории тогдашнего Физмата Тамбовского государственного педагогического института небольшой группой молодых людей (Т.П.Дьячек, А.И.Тюрин, А.А.Шибков) под руководством Ю.И.Головина (ныне – Заслуженного деятеля науки РФ, д. ф.-м. н., профессора, многократного Соросовского лауреата и обладателя других почетных званий). Они получили широкую известность и признание в академических кругах и легли в основу многих успешно развивающихся и поныне научных направлений.
Со временем на кафедре Теоретической и экспериментальной физики ТГУ было организовано и оборудовано еще несколько современных, хорошо оснащенных исследовательских лабораторий (в том числе Нанотестинга, Магниторезонансной спектроскопии, Физики слабых воздействий, Физики льда и др.), в которых получили путевку в жизнь и науку десятки молодых людей. Многие из них защитились в Диссертационном совете, открытом в ИМФИ в средине 90-х годов, часть, отстажировавшись в Московских академических институтах и защитивших там же диссертации, продолжили научную карьеру в ИФТТ РАН, ИХФ РАН, ИК РАН, в зарубежных научных центрах. Выходцами научной школы Ю.И. Головина было защищено более 30 диссертаций ( из них 4 – докторские). Около 20 кандидатских диссертаций защищено за последние 7-8 лет в Ученом Совете при ТГУ. В настоящее время в различной степени готовности находятся еще 5 соискателей докторской степени. Нет сомнений, что их диссертации будут с успехом защищены в ближайшие 1-2 года.
Общий итог работы последних двух десятилетий - создание известной в России и в мире физической школы в Тамбове, никогда не имевшем ранее сколько-нибудь значимых и продуктивных экспериментальных физических групп. Членами и выходцами этой школы в настоящее время развивается несколько перспективных направлений в физике реальных кристаллов, фуллеренов, аморфов, их физико-механических, электрических, оптических свойств, обусловленных атомарными и электронными дефектами и наноструктурными состояниями. Ими подготовлено и опубликовано около десятка монографий, свыше 250 статей в отечественной академической и зарубежной печати, получено 40 авторских свидетельств на изобретения, сделано около полусотни устных докладов на зарубежных международных конференциях (в Англии, Германии, Израиле, Испании, Италии, США, Франции, Швейцарии, Японии и др.) и более двухсот – на отечественных.

 

2. Проблематика научной школы и основные полученные результаты
1. Как известно, создание всеобъемлющих, полных теорий структурозависимых свойств реальных твердых тел (в частности, прочностных, пластических, магнитных, электрических, оптических) требует информации о динамике элементарных быстропротекающих процессов в атомной и в наношкале, в частности, в системе структурных дефектов, их взаимной обусловленности, степени скоррелированности и условиях самоорганизации на всех иерархических уровнях структуры. Во многих случаях (например, при пластической деформации в условиях действия магнитных полей, сосредоточенной нагрузки, образования мелкодисперсных ячеистых, блочных структур, полос локализованного сдвига, пространственной и временной неустойчивости пластического течения с переходом в режим самоорганизующейся критичности) остаются плохо известными не только динамические характеристики отдельных стадий, но и их полный набор и тем более, как правило, очень разветвленные сценарии чередования этих стадий.
В последние несколько лет в связи с исследованиями разнообразных магнитопластических эффектов в магнитонеупорядоченных твердых телах (диамагнитных металлических, ионных и молекулярных кристаллах, полимерах, полупроводниках и др.) выяснилось, что для понимания природы их высокой магниточувствительности необходимо учитывать помимо координатной части волновой функции электронов еще и спиновую динамику с характерными временами ~10-11- 10-8 с. Очерченный круг проблем требует расширения сферы in situ исследований динамики широкого спектра дефектов и наноструктур в область нано- и пикосекундных времен с одновременным сохранением высокого пространственного разрешения и резким увеличением информативности и быстродействия применяемых методик. В связи с этим на современном этапе развития физического материаловедения можно выделить две основные группы задач:
- изучение наноструктур, их особенностей, спектра имеющихся дефектов и характера их взаимодействия, роли самоорганизации и коллективных эффектов, степени их влияния на те или иные физические характеристики реального твердого тела;
- управление этими свойствами путем контролируемого воздействия на структуру внешними физическими полями.
2. Одним из путей углубления представлений о физической природе свойств твердых тел является изучение в них быстропротекающих электромагнитных явлений. Исходя из необходимости решения двух типов проблем, упомянутых выше, на кафедре ТЭФ изучаются две группы электромагнитных явлений: а) излучение электромагнитных волн в процессе эволюции структуры, генерации, взаимодействия и аннигиляции структурных дефектов различного масштабного уровня; б) активное воздействие на них внешними электромагнитными полями (ЭМП), согласованными с номенклатурой и свойствами имеющихся дефектов, с целью изменения макроскопических характеристик твердого тела в желаемом направлении.
Стандартных комплексов оборудования для проведения подобных исследований нет ни в одной лаборатории мира. Силами сотрудников кафедры ТЭФ ТГУ разработано несколько уникальных методик и создана соответствующая быстродействующая аппаратура для in situ исследований быстропротекающих индивидуальных и коллективных явлений на различных иерархических уровнях структуры – спиновом, атомном, кластерном, дислокационном, нано- и мезоскопическом.


В рамках первого круга задач методом анализа собственной электромагнитной эмиссии исследовалась динамика зарождения и перемещения дислокаций в ионных кристаллах, образования и роста микро трещин в них, образования и роста кристаллической фазы в переохлажденной воде. В отличие от традиционных методов исследования реальной структуры (различные виды микроскопии, спектроскопии, дифракционного анализа), предложенные и развитые на кафедре электромагнитные подходы обладают рядом преимуществ: предельно возможное в природе быстродействие, позволяющее изучать быстропротекающие процессы в твердых телах с характерными временами менее 10-8 с; репрезентативность по отношению к объему, возможность использования бесконтактной in situ диагностики и прогнозирования состояния материала в процессе испытания или реальной эксплуатации в условиях низких и высоких температур, агрессивной среды, радиационных полей и т.п. Методами анализа электромагнитной эмиссии получены данные о динамике изолированных дислокаций, дислокационных скоплений, трещин, микро- и макродеформации, фронтов кристаллизации и др. Специфические амплитудно-частотные характеристики сигналов, генерируемых этими объектами, позволяют идентифицировать их на фоне других источников электромагнитного излучения, определять моменты их появления и характерные времена эволюции, оценивать направление и скорости распространения по образцу и др.
В широком и ранее не исследованном диапазоне переохлаждений (0,1<Т<30 К) воды и слабых водных электролитов, перекрывающем практически весь диапазон гетерогенного зарождения твердой фазы, in situ исследована кинетика фазового перехода вода-лед и зависимость морфологии образующихся кристаллов от величины Т. Выявлено несколько морфологических кинетических переходов между образующимися структурами роста, построена морфологическая диаграмма в функции Т, определена фрактальная размерность дендритов в каждой области этой диаграммы и функциональная зависимость скорости роста кристаллов льда от Т. В полосе частот 0,1 – 103 Гц обнаружено радиоизлучение, параметры которого тесно связаны с кинетикой и морфологией растущих кристаллов. Установлено, что источником этого излучения являются, главным образом, пространственно-временные флуктуации фронта кристаллизации, на котором формируется двойной электрический слой с разностью потенциалов до нескольких сотен вольт (в зависимости от скорости фронта, типа и концентрации примеси). Выявлены корреляции между параметрами этого радиоизлучения и особенностями роста дендритов льда различной морфологии, которые позволяют по одному электромагнитному сигналу определять степень переохлаждения воды, тип образующейся структуры, скорость фронта кристаллизации, долю твердой фазы в пробе и т.д.
В процессе механических испытаний и лазерного пробоя различных неметаллических кристаллов (в том числе ионных, ионно-ковалентных, льда) обнаружена связь между параметрами нестабильности пластического течения (динамикой отдельных событий на мезоскопическом уровне, а также амплитудно-временными характеристиками их больших последовательностей) и амплитудно-частотными характеристиками электромагнитного излучения в диапазоне частот 1 Гц – 10 МГц, которое сопровождает образование и движение дефектов по кристаллу. Бесконтактность, широкополосность, репрезентативность по отношению к объему образца и высокое временное разрешение метода электромагнитной эмиссии выгодно отличают его от широко известного метода акустической эмиссии, что позволило выявить и исследовать отдельные фазы в динамике образования изолированных полос скольжения, их взаимодействия друг с другом и поверхностью кристалла, идентифицировать стадии макропластического течения, различать процессы пластического течения и трещинообразования без оптического или акустического контакта с образцом и др.
Несмотря на различие в природе процессов кристаллизации, пластической деформации и разрушения разработанными на кафедре быстродействующими in situ методами удается найти некие общие свойства сильно неравновесных систем и исследовать их динамику, как на уровне отдельных элементарных событий, так и в условиях коллективного поведения, самоорганизации. Установлена природа электрической активности различных структурных дефектов в ряде материалов, определены времена электрической релаксации для них. Полученные результаты обладают новизной и принципиальной значимостью для физики реальных твердых тел, а также могут быть использованы на практике для создания средств мониторинга окружающей среды, прогнозировании катастрофических природных явлений. Они дополняют и углубляют имеющиеся представления о природе макросвойств твердых тел, накопленные в структурных исследованиях ех situ.
<< первая < пред. 1 2 3 4 след. > последняя >>