Стратегии разработки концепции и архитектуры генома углеродных наноструктур для ионно-плазменного выращивания перспективных нано-структурированных функциональных углеродных метаматериалов с программируемыми свойствами

C 18 по 19 февраля 2021 года в Гостевом Доме ученых "Эдем" будет проведен Российско-Турецкий
научный онлайн-семинар на тему:  "Стратегии разработки концепции и архитектуры генома углеродных наноструктур для ионно-плазменного выращивания перспективных нано-структурированных функциональных углеродных метаматериалов с программируемыми свойствами".

В мероприятии примут участие ученые из следующих научных организаций Турции:
- Department of Physics, Bilkent University, Cankaya, Ankara;
- Computational Nanoscience and Materials Research Group, Department of Physics,
  Bilkent University, Cankaya, Ankara;
- Advanced Research Laboratories (ARL), Department of Physics, Bilkent University,
  Cankaya, Ankara.

Для углеродных нано-структурированных метаматериалов разнообразие свойств определяется разнообразием структурных модификаций при неизменном химическом составе. Широкий диапазон свойств углеродных материалов определяется возможностью нахождения в различных гибридизированных состояниях атомов углерода в разных соединениях. В основу схемы классификации углеродных аллотропов положена гибридизация углеродных атомов.

Феномен существования аллотропной формы углерода с sp-гибридизацией атомов, названной карбином
и открытой в Институте элементоорганических соединений (ИНЭОС) РАН, с приоритетом от 4 ноября
1960 года, в связи с сочетанием уникальных структурных и физико-химических свойств, продолжает
привлекать пристальное внимание исследователей во всем Мире.
Линейные цепочки присутствуют в парах углерода при температуре выше 5000 К, так же, как и
в молекулярных облаках холодных звезд. Астрономы обнаружили признаки присутствия карбина
в облаках межзвездной пыли и в материале некоторых метеоритов.

Карбин и карбино-подобные наноструктуры – удивительные технологические материалы.
Гибкостью карбина можно управлять, присоединив к концу углеродной цепочки определенную химическую группу.
Однако, выращивание макроскопических кристаллов карбина сдерживается нестабильностью и
высокой химической активностью этой аллотропной формы углерода.

Сравнительно недавно был найден способ компенсации упомянутых недостатков путем
использования технологии ионно-плазменного выращивания устойчивых карбино-подобных наноструктур в составе многополостных нано-матриц. Такие нано-размерные углеродные структуры получили наименование - двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод (ДУ ЛЦУ), представляющий собой двумерно-упакованный гексагональный массив углеродных цепочек, удерживаемых силами Ван дер Ваальса на расстоянии порядка 5 ангстрем.
Большие перспективы, в частности, открываются для ДУ ЛЦУ, представляющего собой квантовые «нити» углерода. Каждая квантовая «нить» имеет особые свойства, а таких «нитей» – миллионы.

Технология выращивания этого уникального углеродного материала проста: он самоорганизуется в вакууме. Метод ионно-стимулированного осаждения углеродных нано-матриц, основанный на неупругом взаимодействии ионов с поверхностью растущей углеродной нано-матрицы был впервые разработан научной группой из МГУ. В результате такого взаимодействия на поверхности нано-матрицы образуются возбужденные состояния атомов углерода, приводящие к росту метастабильных форм углерода. В частности, при облучении нано-матрицы медленными ионами аргона в определенных энергетических интервалах на поверхности подложки формируются ориентированные цепочки sp-гибридизированных атомов углерода.

Для возможности практического использования карбино-подобных наноструктур ключевое значение имеет возможность обеспечения высокой стабильности этого наноматериала.
Согласно многочисленным прогнозам, подобная аллотропная форма углерода имеет выдающиеся
физико-химические и структурные характеристики. В частности, механическая прочность нано-матрицы ДУ ЛЦУ значительно превышает прочность алмаза.

Благодаря особенностям структуры нано-матрицы ДУ ЛЦУ, в нее возможно поместить кластеры атомов различных химических элементов. При интеркалировании нано-матрицы ДУ ЛЦУ кластерами атомов различных химических элементов, как в процессе выращивания, так и последующей плазменной функционализации и модификации, можно получать наноразмерные метаматериалы, обладающие программируемым набором новых электрофизических, оптических, структурных, топографических и химических характеристик.

Для создания перспективных нано-структурированных функциональных углеродных метаматериалов
с программируемыми свойствами нами предлагается новая Концепция генома углеродных наноструктур.
Идея разработки этой Концепции связана с реализацией Концепции «Геном Материалов», инициированной в США с 2011 года в рамках инициативы «Materials genome initiative», (MGI).
Формирование концепции MGI стало возможным благодаря успехам в области информационных технологий, а именно снижению стоимости передачи и хранения информации, повышению скорости передачи и обработки информации.
С 2015 года, инициативной группой ученых из Канады и США начата разработка концепции "Геном
Наноматериалов" - "Nanomaterials Genome Initiative" (NMGI). Целью этой инициативы стала
реализация возможностей для ускоренной разработки и внедрения перспективных наноматериалов.
Геном наноматериалов основан на универсальной Периодической таблице наноматериалов и
пополняемой Мегабиблиотеке данных наноматериалов.

В РФ реализуется несколько направлений, для которых применение методов и подходов MGI было бы полезно: «Новые материалы» и «BigData» (реализуются Агентством Стратегических Инициатив), «Аддитивные технологии» (Фонд перспективных исследований).

Предлагаемая нами новая стратегия создания Архитектуры Генома углеродных наноструктур принципиально отличается от подходов, ранее использовавшихся в ряде зарубежных исследовательских организаций.
В соответствии с предлагаемой нами Концепцией, для каждого конкретного углеродного нано-структурированного метаматериала существует определенный набор универсальных взаимосвязей, таких как: «Режимы выращивания - Структура - Свойства», который позволяет однозначно предсказывать основные характеристики проектируемых наноструктур и технологические режимы, необходимые для их прогнозируемого ионно-плазменного выращивания.

В предлагаемой Концепции к рассмотрению принимаются фундаментальные универсальные закономерности, устанавливающие взаимосвязи между параметрами процесса ионно-плазменного выращивания углеродных наноструктур и структурными и физико-химическими свойствами получаемых новых нано-структурированных метаматериалов.
Указанные универсальные взаимосвязи включаются в состав Карты генома углеродных наноструктур
в виде набора многофакторных вычислительных моделей решения прямых и обратных задач и
моделей виртуальных экспериментов.

Создание многофакторных вычислительных моделей, прежде всего, необходимо для выявления и отслеживания универсальных взаимосвязей, позволяющих однозначно предсказывать основные характеристики проектируемых наноструктур и технологические режимы, необходимые для их прогнозируемого ионно-плазменного выращивания и которые необходимо включить в Карту генома углеродных наноструктур.

Разрабатываемая Карта Генома углеродных наноструктур, откроет новые возможности для быстрой и эффективной аттестации структурных и физико-химических свойств выращиваемых нано-структурированных метаматериалов.

Нами предложено несколько вариантов модернизации технологической схемы выращивания
перспективных углеродных нано-структурированных метаматериалов, предусматривающих
программирование процесса самоорганизации углеродной плазмы.
Использование предложенных схем модернизации технологической схемы позволит задействовать
принципиально-новые взаимосвязи в процессах ионно-плазменного выращивания и самоорганизации матриц углеродных наноматериалов и, соответственно, существенно расширить возможности оперативного программирования свойств этих перспективны наноматериалов.

Разработаны интерактивный способ и соответствующая технология ионно-плазменного выращивания
перспективных углеродных нано-структурированных метаматериалов с программируемыми свойствами.
Предлагаемая нами интерактивная технология ионно-плазменного выращивания углеродных наноструктур, основана на использовании Карты генома и пополняемого Хранилища Данных углеродных нано-структурированных метаматериалов.

Использование предлагаемой нами технологии "обратной связи", наряду с концепцией генома углеродных наноструктур, позволяет оперативно корректировать и уточнять режимы ионно-плазменного выращивания на основе сопоставления получаемых и требуемых результатов выращивания.  
Эта технология открывает беспрецедентные возможности для программирования пространственной структуры выращиваемого углеродного нано-структурированного метаматериала.

Предлагаемые нами подход и технологии позволяют осуществлять управляемое интеркалирование выращиваемой нано-матрицы ДУ ЛЦУ кластерами атомов различных химических элементов, как непосредственно в процессе выращивания, так и при последующей плазменной функционализации и модификации. В результате, появляется возможность получать наноразмерные метаматериалы, обладающие программируемым набором новых электрофизических, оптических, структурных, топографических и химических характеристик.

Данное исследование выполняется при финансовой поддержке РФФИ и ТУБИТАК в рамках научного проекта № 20-58-46014.
Более подробно ознакомиться с содержанием проекта можно по ссылке:
http://www.wcrc.ru/Russian-Turkish-JRP.html