Учёные Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского получили свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, позволяющих проектировать сложные структуры из многостенных углеродных нанотрубок. Разработка ориентирована на создание материалов, способных работать в экстремальных условиях, в том числе на орбите.
Речь идёт о комплексе «Минтака», который объединяет три программы и фактически выстраивает полный цикл работы с нанотрубками – от задания параметров до сборки готовых моделей. Его авторы – заведующая кафедрой радиотехники и электродинамики СГУ О.Е. Глухова и ассистент этой же кафедры П.А. Колесниченко.
Первая программа, «Минтака I», подбирает совместимые нанотрубки по диаметру и геометрии, чтобы они могли «вложиться» друг в друга без конфликтов. При этом учитывается один из ключевых параметров – киральность, то есть угол, под которым графеновый лист сворачивается в трубку. Именно от него зависят электрические, тепловые и механические свойства структуры: одна и та же нанотрубка может вести себя как проводник или полупроводник.
Вторая программа, «Минтака II», отвечает за устойчивость структуры. Она рассчитывает оптимальную длину химической связи между атомами углерода – такую, при которой нанотрубка выдерживает растяжение или сжатие с минимальными энергетическими потерями.
Третья – «Минтака III» – собирает из отдельных трубок и их жгутов более сложные структуры: периодические сетки, в которых элементы удерживаются за счёт слабых межмолекулярных взаимодействий. Именно такие конфигурации рассматриваются как перспективные для создания защитных материалов для электроники.
Новизна разработки – в комплексном подходе. Большинство существующих решений работают либо с одностенными нанотрубками, либо решают отдельные задачи. В «Минтаке» объединены геометрия, энергетика и сборка: от подбора параметров до формирования сложной структуры. При этом пользователь получает не «чёрный ящик», а набор промежуточных данных, что позволяет проверять расчёты и использовать их в дальнейших исследованиях.
Фокус именно на многостенных нанотрубках выбран не случайно. По сравнению с одностенными они более устойчивы к повреждениям и внешним воздействиям: если внешний слой разрушается, внутренние продолжают работать. Такие структуры лучше переносят дефекты синтеза, а их свойства легче контролировать за счёт настройки каждого слоя.
«Когда многостенные трубки объединяются в жгуты, за счёт ван-дер-ваальсовых взаимодействий растут их прочность и электропроводность. Причём этот эффект выражен сильнее, чем у одностенных нанотрубок. Для прикладных задач – от композитных материалов до электроники – именно такие структуры оказываются более перспективными», – подчёркивает ассистент кафедры радиотехники и электродинамики СГУ Павел Колесниченко.
Эти свойства делают материал перспективным для космической техники. В условиях радиации, перепадов температур и микрометеоритных воздействий многостенные нанотрубки способны распределять нагрузку, снижать перегрев и частично компенсировать возникающие дефекты. Это открывает возможности для создания более лёгких и долговечных элементов электроники на орбите. При этом сами программы позволяют сначала «протестировать» такие структуры в виртуальной среде и сократить число дорогостоящих экспериментов.
Впрочем, космос – лишь одна из возможных областей применения. Разработку можно использовать в энергетике — при создании электродов для аккумуляторов и суперконденсаторов, в электронике – для гибких проводников и межсоединений, в композитных материалах – для повышения прочности и теплопроводности. Перспективны также направления фильтрации и сенсорики, где важны высокая чувствительность и большая площадь поверхности. Кроме того, программы уже могут использоваться в учебном процессе: они позволяют наглядно показать, как изменение геометрии влияет на свойства наноструктур.
Подготовила Альфия Тимошенко