Відділ фізики наноструктур бере свій початок з відділу спектроскопії поверхні твердого тіла, який був створений у 1995 році на базі лабораторії спектроскопії поверхні твердого тіла. З 1995 р. по 2011 р. відділ очолював докт. фіз.-мат. наук, профеcсор, академік НАН України Анатолій Петрович Шпак. З 2012 року відділом керує докт. фіз.- мат. наук, професор В. Л. Карбівський. У 2015 році, з урахуванням наукової направленості тематик, що виконуються, та напрацювань наукової школи академіка А.П. Шпака, відділ спектроскопії поверхні твердого тіла було переіменовано у відділ фізики наноструктур.
Методи досліджень:
Атомно-силова і тунельна мікроскопія, рентгенівська і рентгеноелектронна спектроскопія, електронографія, резонансні методи (ЯМР, ЕПР), EXAFS- і тунельна спектроскопія, квантовомеханічні розрахунки атомної, електронної будови і фізичних властивостей.
Основні наукові досягнення:
Період з 1985 р. по 1999 р.
Удосконалено метод розрахунку кластерів в Х-РВ наближенні, що дозволив істотно просунутися в поясненні взаємного впливу двох кооперативних явищ - локального атомного та спінового впорядкування в аморфних металевих сплавах (АМС). Створено потужну обчислювальну базу на основі комп'ютерів IBM PC, що дозволяє проводити як управління експериментом і математичну обробку отриманих результатів, так і складні теоретичні розрахунки електронної структури (О.М. Яресько).
Вирішено ряд принципових питань електронної будови речовини, що знаходиться в кластерному стані. Виявлено фізичну сутність процесу утворення кластерів в АМС і вплив на цей процес різних факторів (типу перехідного металу, металоїду і т.п.). В результаті цих досліджень в Україні створена група з дослідження структури і властивостей конденсованого стану речовини рентгеноспектральним структурним методом - EXAFS-спектроскопія (В.Л. Карбівський, А.В. Мележик).
Виконано комплекс робіт з дослідження металооксидних кластерів хрому і заліза, що нанесені на поверхню високодисперсної матриці. Показано, що на поверхні дисперсного оксиду магнію можлива стабілізація іонів Fe (VI), тетраедрично координованих атомами кисню (І.В. Плюто).
Проведено пошаровий аналіз кількісного складу аморфних металевих сплавів систем ПМ-ПМ – ПМ-Ме. Встановлено механізми поверхневої сегрегації металлоїда в АМС (С.І.Латипов, О.Г.Дмітрієв).
Розроблено методику реконструкції атомної будови невпорядкованої (аморфної, рідкої) системи по заданій парній кореляційній функції. У невпорядкованих металічних системах виявлено присутність кластерів з пакуванням, що гомологічно пов'язана з будовою відповідних кристалічних фаз. Кластерна будова і температурні перетворення, що спостерігаються в аморфних і рідких матеріалах описані за допомогою діркового підходу (О.Б. Мельник).
Досліджено вплив структурних змін на електронну будову фосфатних кластерних сполук на основі 3d-металів типу: MIMIV(PO4)3, MIMIIIP2O7, MITiOPO4, де MI - лужний метал, а MIII, MIV - перехідні метали. Отримані результати дозволили розробити конкретні рекомендації щодо цілеспрямованого синтезу складних фосфатів, які використовуються в якості лазерних стекол і володіють високими спектрально-люмінесцентними і генераційними параметрами, а також по використанню подібних матеріалів в якості наповнювачів в малогабаритних хімічних джерелах струму (І.П. Нагібін, О. В. Поденежко, О.М. Кордубан).
На основі фундаментальних досліджень атомної та електронної структури низьковимірних систем А.П. Шпаком зі співробітниками розроблено фізико-хімічні основи нового напрямку - кластерного матеріалознавства. Використано сучасний арсенал експериментальних методів: рентгенівська і рентгеноелектронна спектроскопія, електронна мікроскопія і електронографія, резонансні методи (ЯМР, ЕПР, Ягр), EXAFS-спектроскопія, високоінформативні методи структурного аналізу. В рамках єдиних кластерних моделей виконані квантовомеханічні розрахунки електронної будови кластерних матеріалів. При цьому істотно модернізовано і розвинено кластерний метод Х-розсіяних хвиль, ЛМТО метод розрахунку зонної структури, ЛМТО метод функцій Гріна. Використання унікального набору експериментальних і теоретичних методів дозволило отримати детальну інформацію про структурні особливості, енергетичний спектр валентних електронів, характері міжатомної взаємодії і на основі цих результатів побудувати фізичні моделі атомної та електронної структури широкого класу нових матеріалів: аморфних систем, кластерів на поверхні, металофосфатних матеріалів, металевих кластерів.
Отримані для високодисперсних матеріалів результати активно використані при розробці методів і технологій синтезу каталізаторів, селективних сорбентів, ефективних поглиначів електромагнітного випромінювання. На основі результатів досліджень в галузі фізико-хімії аморфних систем запропоновані нові технології отримання аморфних стрічок з високими магнітними характеристиками, підвищеною корозійною стійкістю.
За цикл робіт у цьому напрямку А.П. Шпаку в числі інших авторів в 1992 р. присуджена Державна премія України в галузі науки і техніки.
Період з 2000 р. по 2015 р.
Створена обчислювальна база на основі кластера сучасних комп'ютерів, що дозволяє проводити теоретичні розрахунки фізико–хімічних властивостей і електронної структури. Використовується широкий спектр квантовомеханічних розрахунків як в рамках твердотільного підходу (повнопотенційного ЛППВ + ЛО, псевдопотенційного з базисними пласкими хвилями, ЛМТО і PAW-методів), так і кластерного методу Х? –РВ. Комплексний підхід, що полягає в одночасному використанні як експериментальних, так і теоретичних методів, дозволив отримати детальну інформацію про фізичні і хімічні властивості, характер міжатомної взаємодії і на їх основі побудувати фізичні моделі атомної та електронної структури широкого класу нових матеріалів, зокрема, апатитоподібних матеріалів і металевих кластерів.
Вперше проведено першопринципні розрахунки механічних, діелектричних і структурних властивостей апатитоподібних сполук. Описано просторовий розподіл валентної електронної щільності для цілого ряду апатитів Ме10(ZO4)6X2, де Ме=Са, Сd, Z=P, V, As, X=F, Cl, Br, OH. Встановлено, що швидкість звуку уздовж осі шостого порядку фторо-, хлоро- і гідроксоапатиту кальцію більше, ніж у площині, перпендикулярній до неї. Розраховані діелектричні константи, тензори ефективних зарядів Борна і проведена оцінка п'єзоелектричних властивостей апатитів (А.П. Сорока, В.Л. Карбівський).
Дослідження в області апатитознавства привели до розробки цілого ряду методик практичного застосування сполук на основі апатитів. Встановлено високу сорбційну здатність до Н2О і 90Sr нанорозмірних кристалів апатиту, що обумовлена як малими розмірами частинок, так і нестехіометричністю складу. Сорбція 90Sr на нанодисперсному гідроксоапатиті кальцію з подальшим переведенням його в кристалічний стан при 650 оС призводить до 30-ти кратного зниження показника десорбції ізотопу із структури апатиту. На підставі отриманих даних запропоновано методику селективного видалення радіонуклідів з водних розчинів (Н.А. Курган, В.Л. Карбівський).
Отримано унікальні результати з дослідження структури і властивостей мінеральної складової кісткової тканини людини. Розроблено і впроваджено в хірургічну практику медичні препарати на основі гідроксоапатитів кальцію, які дають можливість отримувати імпланти, біосумісні з кістками людини. У цьому напрямку інтенсивно розвиваються і застосовуються резонансні методи дослідження твердих тіл. Встановлено ряд особливостей між параметрами ЯМР спектрів нанодисперсного апатиту біогенного і синтетичного походження (В.Л. Карбівський, Ю.О. Загородній).
Наукова діяльність групи під керівництвом д.ф.-м.н., академіка Академії технологічних наук України І.В.Плюто зосереджена у двох основних напрямках. Перший напрямок—розвиток теоретичних і експериментальних основ рентгенівської фотоелектронної спектроскопії як аналітичного методу нанохімії (результати робіт узагальнені в монографії – I.V.Plyuto, A.P.Shpak. Characterization of disperse heterogeneous systems by X-ray photoelectron spectroscopy. - Kiev: Naukova Dumka, 2000). Другий напрямок наукової діяльності—розвиток і впровадження в практику нового методу спектральної діагностики біонаносистем і тканин ока в режимі реального часу – інфрачервоної трансілюмінаційної офтальмоскопії (теоретичні та експериментальні основи методу викладені в роботі - И.В.Плюто, А.П.Шпак. Инфракрасная транссклеральная офтальмоскопия: физические и технологические аспекты метода. - Киев: ИМФ НАНУ, 2005). Підготовлено перший випуск атласу (И. В. Плюто. Атлас по спектральной диагностике внутренних оболочек глаза с использованием технологии трансиллюминации. Выпуск 1.- Киев, ВВП, 2008). Національний пріоритет у даному напрямку зафіксовано на Конгресі офтальмологів EURETINA (Монте Карло, Монако) і всесвітній виставці технологій (Ганновер-2011), на якій система ІРИС була представлена на стенді України.
Розроблено оригінальну технологію синтезу нанопорошків тугоплавких металів та їх оксидів методом електричного вибуху провідників. Створено технологію формування нанодисперсних покриттів спрямованим електричним вибухом з використанням електротермічного прискорювача. Отримано нанодисперсні покриття вольфраму на мідних виносних (зовнішніх) анодах мікроплазматронів з високими електроерозійними характеристиками. Створено технологію формування суцільних мезопористих нанодисперсних плівок на основі нанопорошків ТіО2. Розроблено технологію формування нанодисперсних покриттів з нанопорошків металів та їх оксидів з використанням мікроплазматрона (О.М.Кордубан).
Спільно з відділом будови рідких і аморфних металів вирішено ряд принципових питань електронної будови речовини, що знаходиться в кластерному стані. Виявлено фізичну сутність процесу утворення кластерів в АМС і вплив на цей процес різних факторів (типу перехідного металу, металоїди і т.п.). Крім традиційних методів рентгеноструктурного аналізу використовуються методи EXAFS- і тунельної спектроскопії (д.ф.-м.н. О.Г. Іллінський, д.ф.-м.н. В.Л. Карбівський).
Особливе місце в роботах відділу відведено дослідженню взаємодії наночастинок металів з біологічними об'єктами, зокрема, рослинних вірусів з поверхнею підкладок різної хімічної природи. Встановлені основні закономірності формування хімічних зв'язків рослинних вірусів з поверхнею напівпровідникових монокристалів, а також зміни конформації вібріонів після нанесення. Показано, що адсорбція віріонів вірусу тютюнової мозаїки супроводжується утворенням переважно одношарових впорядкованих структур і зміною висоти віріонів на поверхні, в той час, як адсорбція вірусу мозаїки люцерни супроводжується утворенням невпорядкованих утворень віріонів. Встановлено, що зміна висоти віріонів залежить від кількості негативно заряджених амінокислотних залишків на зовнішній поверхні капсида (Т.А.Корніюк, В.Л.Карбівський).
В.Л. Карбівським з учнями створено оригінальну технологію термічного синтезу моношарових структур металів на поверхнях твердих тіл. Показано, що процеси самоорганізації наноструктур на поверхнях твердих тіл детерміновані як фізико-хімічними параметрами поверхні, так і умовами термічного нанесення.
Відділ складається з 17 співробітників, з них 2 доктори наук і 5 кандидатів наук. За останні 10 років у відділі захищено 2 докторських і 4 кандидатських дисертацій.Розширюються міжнародні наукові зв'язки відділу. В даний час виконуються спільні проекти із зарубіжними фізико-технічними центрами Росії, Республіки Білорусь, Німеччини, Польщі.
| © Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, 2024 |