Несмотря на интенсивное исследование углеродных нанотрубок на протяжении последних десятилетий, интерес к ним не ослабевает ни у экспериментаторов, ни у теоретиков. Со временем лишь усложняются задачи, решения которых становятся доступны лишь профессиональным исследователям. Доцент кафедры ЮУрГУ Сергей Созыкин изучает углеродные нанотрубки, применяя к ним различные методы моделирования.
Доцент кафедры «Компьютерное моделирования и нанотехнологии» Института Естественных и точных наук Сергей Созыкин, кандидат физико-математических наук, с проектом «Моделирование электронных и оптических свойств углеродных нанотрубок» стал одним из победителей конкурса «Поддержка молодой науки», который проходил в ЮУрГУ в конце 2016 года в рамках Проекта 5-100.
«Данная тема, несомненно, очень актуальна, так как область применения нанотрубок очень широка. Это связано с тем, что благодаря каркасной молекулярной структуре их свойства выгодно отличаются от других аллотропных модификаций углерода: алмаза и графита. Углеродные нанотрубки очень прочные, обладают высокой электро- и теплопроводностью, способны выдерживать большие растяжения и изгибы. Именно благодаря сочетанию такого большого числа уникальных свойств углеродные нанотрубки позволяют улучшать свойства существующих материалов и конструировать принципиально новые».
Одним из самых простых примеров использования углеродных нанотрубок является упрочнение материалов. Это неудивительно, ведь молекулярная решётка углеродных соединений обладает невероятной прочностью. При этом масса изделий из-за малой плотности нанотрубок уменьшается. Более значительными могут оказаться устройства, использующие уникальные электрические и оптические свойства углеродных нанотрубок.
«Сегодня активно исследуются оптические свойства углеродных нанотрубок, взаимодействующих с матрицами различной природы или адсорбированными комплексами. Экспериментальное определение свойств таких материалов, как правило, стоит дорого, а в некоторых случаях принципиально невозможно. Именно для решения таких задач мы используем методы компьютерного моделирования».
При моделировании объектов, которые плохо изучены экспериментально, ученым необходимо использовать методы, не требующие подгоночных параметров. Одним из них является теория функционала электронной плотности, реализованная во множестве платных и свободно распространяемых программных пакетов.
«К сожалению, мощности персональных компьютеров недостаточно для исследования реалистичных моделей перспективных материалов. Нашим конкурентным преимуществом является доступ к суперкомпьютеру «Торнадо», который дает возможность научным сотрудникам ЮУрГУ решать задачи мирового уровня».
Научные коллективы ЮУрГУ имеют большой опыт использования суперкомпьютерных технологий для решения фундаментальных и прикладных задач. Их конкурентоспособность подтверждается в том числе и тем, что сотрудники ЮУрГУ регулярно становятся победителями конкурсов грантов федерального уровня.
«На первый взгляд компьютерное моделирование с использованием специализированного программного обеспечения кажется очень простым делом. Нужно лишь задать определенный набор параметров, и программа выдаст результат. На самом деле оказывается, что параметров этих очень много: перебор различных комбинаций может занять так много времени, что результат уже не будет представлять интерес для научной общественности. Оказывается, что для оптимизации этого процесса нужно хорошо знать физику и химию, разбираться в программном коде. Ко всему этому предполагается свободное владение английским языком – языком международного научного сообщества. Для сегодняшних школьников это, наверное, звучит страшновато, но этими компетенциями вполне реально овладеть. Нужно лишь сделать верный выбор при поступлении в университет. Я являюсь выпускником направления Прикладные математика и физика Физического факультета ЮУрГУ.»
К настоящему времени электронная структура бездефектных нанотрубок достаточно хорошо изучена теоретически и экспериментально. Реальные нанотрубки, однако, содержат различные дефекты строения. Именно учет их влияния на свойства нанотрубок и делает проект Сергея Созыкина интересным для научного сообщества.
«Одна из важнейших задач исследователя-теоретика состоит в том, чтобы дать верное предсказание относительно свойств, которые еще не были измерены в эксперименте. Исследование обычно начинается с воспроизведения известных результатов. Это позволяет оценить применимость выбранной методики моделирования к объекту исследования. В моем исследовании таким объектом была бездефектная углеродная нанотрубка (7,7). Убедившись в высокой точности полученных результатов, мы приступили к основной части работы: определению изменений, происходящих в электронной структуре и спектре поглощения нанотрубки при внедрении дефектов одиночной и двойной вакансий, дефекта Стоуна-Велса. Эти результаты новые. Ничего подобного ранее опубликовано в открытой печати не было».
До завершения проекта ученым предстоит решить еще много важных задач, направленных на достижение основной цели, например, получить сведения о способах управления электронными и оптическими свойствами углеродных нанотрубок.