Освоение новых материалов человеком оказывает ключевое влияние на развитие цивилизации. Разработка и производство новой высокотехнологичной продукции напрямую зависит от применения новых материалов. Поэтому для человечества так важно научиться управлять свойствами материалов, чтобы все больше двигаться вперед.
Не так давно в Университете «Сириус» прошла образовательная программа «Математическое моделирование наноматериалов», реализуемая совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ. Студенты учились моделировать и предсказывать свойства материалов с помощью математического моделирования, чтобы в будущем разрабатывать новые материалы с принципиально новыми характеристиками и сделать нашу жизнь лучше.
Поговорили с преподавателем программы Иваном Тимофеевым, доктором физико-математических наук, заведующим лабораторией фотоники молекулярных систем Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН, и узнали самое важное о новых материалах и откуда они берутся.
Функциональные материалы и наноматериалы – это одно и то же?
Не совсем так. Функциональные материалы – это широкий класс материалов с полезными свойствами, они не обязательно нано. А наноматериалы – это системы, состоящие из частиц размером менее 100 нанометров хотя бы в одном измерении. Подсчитайте, какая поверхность будет у одного литра такого материала? Не менее 10 000 квадратных метров, а в отдельных случаях – это десятки квадратных километров! Возникают размерные эффекты, потому что атомы на поверхности ведут себя необычно: материалы могут стать сверхпрочными, сверхпроводящими, по-другому начинают намагничиваться, светиться. Такие материалы разрабатываются для применения в электронике, фотонике, медицине, строительстве и других отраслях деятельности.
Можно ли наноматериалы увидеть в микроскоп?
Просто «разглядеть» наночастицы, нанонити, нанопленки и наноструктуры можно в хороший электронный микроскоп, который освещает образец не светом, а пучком ускоренных электронов. Однако, глядя в микроскоп трудно увидеть их уникальные свойства, за которые их так любят исследователи. Поэтому ученые постоянно проводят сложные эксперименты на крупнейших установках мега-класса, и наблюдают за изменениями наноструктуры на атомном уровне. В ходе таких экспериментов воссоздаются технологические условия, в которых планируется использовать материал.
Как «приготовить» материал с улучшенными свойствами?
Есть два разных способа изготовить наноматериал: измельчить что-то более крупное до наноразмера, либо собрать нужный материал из атомов. В случае дробления, главной заботой будет неупорядоченная организация получаемых частиц. А вот при сборке из атомов структура будет суперточной, но сколько времени уйдет на собирание одного моля вещества – это миллионы миллиардов миллиардов атомов – такой процесс жутко трудозатратный. Поэтому в создании новых материалов природа все еще далеко впереди нас.
Правда, что наноматериалы придумала природа?
Да, нам есть чему поучиться у природы. Простой пример – водонепроницаемые материалы. Если вы когда-либо видели, как капли дождя стекают по цветку – это работа природных нитевидных кристаллов. Лист покрыт нановолосками, которые поддерживают капли воды, не позволяя им впитываться. Добавив нанотрубки в волокна одежды, люди научились создавать ткань, которая не впитывает влагу. Самый сложный для меня пример – фотосинтез – превращение физических материалов в биологические под действием света. В школе все воспринимается просто: на входе углекислый газ – на выходе кислород. А на переднем крае науки идут споры о характерных временах в цепочке превращений. Сегодня никто не может разглядеть их непосредственную динамику, да и сможет ли когда-нибудь? «Во всем подслушать жизнь стремясь, спешат явленья обездушить, забыв, что если в них нарушить одушевляющую связь, то больше нечего и слушать» - это из Фауста.
Что значит «предсказать уникальные свойства новых материалов»?
Для понимания и предсказания уникальных свойств новых материалов активно используется математическое моделирование. Это сильно увеличивает скорость перебора комбинаций состава материалов. Допустим, структура – это предложение, где буквы – это элемент структуры – и мы из них составляем фразу. Все чаще получается, что найденное в компьютере слово оказывается пророческим. Изготовят такое «слово» на практике и получается новый сверхпроводник, фармацевтических препарат или пигмент. На программе «Математическое моделирование наноматериалов» студенты две недели не отступали от меня с вопросами, как удалось предсказать несколько полезных тонкопленочных структур, в которых накапливается свет, и почему эксперимент подтвердил предсказание. Зато теперь сами овладели моделированием новых материалов.
