CC BY
17
27. Бродский В.В., Маилян Д.Р. Сопротивление гибких железобетонных стоек импульсивным динамическим воздействиям // Тр. Полтавского ПСИ. -Полтава, 1989.
28. Гвоздев А.А. К расчету конструкций на действие взрывной волны // Строительная промышленность. - 1943. - № 1, 2. - С.18-21.
29. Bischoff, P.H. and S.H. Perry, compressive behaviour of concrete at high strain rates // Material and Structures. - 1991. - № 24. - Р. 425-450.
30. Яшин А.В. Влияние неодноосных (сложных) напряженных состояний на прочность и деформации бетона, включая область, близкую к разрушению // Прочность, жесткость и трещиностойкость железобетонных конструкций / Под ред. А.А. Гвоздева. - М., 1979. - С. 187-202.
31. Thilakarathna H.M.I., et al., Behaviour of Axially Loaded Concrete Columns Subjected to Transverse Impact Loads, 34th Conference on «Our world in concrete & structures». - Singapore, 2009.
32. El Tawil S., Severino E., Fonseca P. Vehicle Collision with Bridge Piers. Journal of Bridge Engineering. - 2005. - 10 (3). - Р. 345-353.
К ВОПРОСУ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НАНОЧАСТИЦ В СОВРЕМЕННОЙ НАУКЕ И ТЕХНИКЕ
© Конов К.И.1, Новожеева А.А.1, Орлова М.О.1, Гурьева П.В.2
Московский институт электроники и математики Национальный исследовательский университет Высшая школа экономики, г. Москва
В работе приведен краткий обзор методов создания наночастиц. Описаны наиболее интересные функции наноантенн. Затронуты вопросы изменения качественных характеристик наночастиц.
Ключевые слова металлическая наночастица, тепловые потери, на-ноатенна.
Исследование физико-химических свойств нанообъектов как теоретическое, так и экспериментальное, и возможность прогнозирования их свойств является одним из важных направлений, более того, находится на стыке нескольких наук, в частности нанооптики и наноплазмоники. Предметом изучения нанооптики являются объекты, геометрические размеры которых меньше длины волны падающего излучения. Наноплазмоника входит в нанооп-
1 Студент.
2 Бакалавр.
тику и занимается изучением наноантенн, предоставляющих собой металлические наночастицы (МНЧ) [1].
Стоит отметить, что современный уровень технологий позволяет создавать наночастицы разных форм и размеров, способные поглощать и рассеивать падающее электромагнитного излучение оптического диапазона частот. Разделяют два метода создания наночастиц и наноструктур: «снизу вверх» и «сверху вниз». При первом подходе синтез происходит путем добавления отдельных атомов, при втором - требуемая наночастица или наноструктура «вырезается» из некоторого объема вещества.
Особый интерес представляет рассмотрение металлических наноча-стиц, это обусловлено способностью таких наночастиц эффективно концентрировать и поглощать падающее электромагнитное излучение. Металлические наночастицы принято называть наноантеннами.
Использование термина «наноантенна» при описании металлических наночастиц связано с тем, что их можно рассматривать как аналог радиоантенн, работающий в оптическом диапазоне. Обычная антенна производит преобразование энергии электромагнитного излучения в ток, тогда как на-ноантенна производит преобразование дальнего электромагнитного поля в ближнее. В настоящее время исследования свойств наноантенн, работающих в оптическом диапазоне, вызывают особый интерес, происходят попытки применения методов описания обычных антенн к металлическим наночастицам.
Наиболее часто рассматриваются наночастицы сферической формы, это вызвано тем, что их проще изготовить и сферические наноантенны легче поддаются аналитическому описанию, нежели частицы более сложной геометрической формы. Однако стоит отметить, что существуют методы аналитического описания частиц различных геометрических форм, таких как: стержень, сфероид, эллипсоид, кластеры из сфер и сфероидов, «галстук-бабочка» и коническая поверхность.
Выделим три главных функции наноантенн:
1. Концентрирование энергии падающего э/м волн;
2. Воздействие на процессы поглощения и излучения квантовых источников э/м волн (атомов и молекул);
3. Возможность рассеивать и поглощать э/м волны в заданном диапазоне.
Первая функция наноантенн представляет интерес для создания покрытий солнечных батарей [2]. В случае, если частица входит в плазмонный резонанс, она может концентрировать энергию в широком диапазоне длин волн, причем длина волны подающего излучения может в сотни раз превышать геометрические размеры самой частицы. Использование этого эффекта при создании солнечных панелей является очень перспективной технологией. К сожалению, разработанные на сегодняшний день покрытия такого
рода хоть достигают высокого КПД, но по цене изготовления существенно проигрывают кремниевым материалам. Это область исследований фото-вольтаики [3].
Вторая функция наноантенн связана с процессами детектирования отдельных атомов, определенных молекул или молекулярных групп, а так же с созданием плазмонного нанолазера. Проблема создания плазмонного нано-лазера стоит перед учеными, занимающимися созданием оптоэлектронных устройств, в которых в качестве носителей информации используются фотоны. При этом возникает ряд проблем, связанных с существенным сужением пределов миниатюризации, ограниченных половиной рабочей длины волны. Кремневые полупроводниковые приборы с нанометровыми размерами отдельных элементов существенно выигрывают у оптоэлектронных. Однако представляется возможным вместо фотонов использовать плазмоны. Плазмоны (точнее, в данной работе рассматриваются плазмон-поляритоны) -это квазичастицы, представляющие собой колебания свободных электронов на границе металла с диэлектриком, возникающие при облучении её электромагнитной волной. Основываясь на таких технологиях, можно создать фотонно-плазмонные чипы, причем размеры таких чипов будут сопоставимы с нанометровыми размерами современных полупроводниковых элементов. Развитие таких технологий сильно ускорится с созданием плазмонного нанолазера, служащего для фокусировки электромагнитного излучения на площади, намного меньшей длины волны этого излучения. При этом будет получен серьезный выигрыш по производительности, т.к. излучение плаз-монного нанолазера можно модулировать частотами, более высокими, по сравнению с частотами современного оборудования, построенного на основе кремниевых транзисторов.
Третья функция наноантенн представляет особый интерес для медицины и создания разного рода покрытий. Наноантенны могут быть покрыты специальными антителами, благодаря которым они получают возможность прикрепляться к больным клеткам. Далее, облучив исследуемый участок тела пациента электромагнитным полем, можно установить факт наличия опухоли или другого поражения биологических тканей и локализовать местоположение очага болезни. Одним из способов уничтожения найденной опухоли является повышение интенсивности излучения, приводящее к нагреву наноан-тенн, что в свою очередь приводит к гибели пораженных клеток.
Этот эффект явно проиллюстрирован на рис. 1, на котором приведена зависимость тепловых потерь на золотой наночастице радиусом 100 нм. от длины волны падающего излучения. Данные получены в результате расчета описанной задачи в программном пакете Comsol Multiphysics [4]. Из рис. 1 следует, что при облучении наночастицы э/м полем, длиной волны более 66.5 нм. Наночастица не нагревается, однако при облучении э/м полем с длиной волны порядка 5 нм, наночастица начинает резко нагреваться.
Л (нм)
Рис. 1. Тепловые потери при рассеянии э/м волны на наночастице
Однако уничтожать опухоль можно не только путем её нагрева. Не менее интересен способ, при котором наночастицы выполнят транспортную функцию: доставляют лекарство к пораженным участкам тела. При таком подходе к наночастице сначала прикрепляются лекарственные средства, затем она покрывается слоем полимера с антителами. Такой «контейнер» после введения в организм оседает на опухоли, после чего производится его нагрев электромагнитным излучением. Вследствие нагрева полимерная оболочка разрушается, высвобождая лекарство. Такой метод доставки лекарств отличается высокой степенью точности и минимизирует возможность поражения внутренних органов.
Как показано выше, области возможного применения наночастиц достаточно широки. Существует несколько подходов к управлению их свойствами.
Оптические свойства наночастиц напрямую связаны с их формой, модифицирование которой позволяют «конструировать» спектр наночастиц, выявлять новые особенности их поведения. Таким образом, изменяя форму наночастиц, можно управлять их взаимодействием друг с другом, атомами и молекулами среды.
Изменение материала также играет важную роль, т.к. наночастицы из разных материалов обладают совершенно отличными свойствами и различной степенью сложности изготовления. Обычно используются наночастицы
из благородных металлов, таких как золото и серебро. Конечно, это дорогие металлы, можно получить наночастицы со сходными характеристиками и из более дешевых. Однако немаловажную роль играет сложность изготовления. Благородные металл не окисляются при взаимодействии с кислородом, тогда как наночастицы из других металлов покрываются слоем окисла, который существенно меняет их свойства. Можно избежать этого эффекта, изготавливая наночастицы в вакуумной камере, но это существенно повышает стоимость их получения.
К настоящему времени разработано большое количество методов и технологий синтеза наночастиц и наноструктур различных форм и объемов. Такие достижения позволяют ставить задачи в разных областях науки и техники по созданию новых оптических, оптоэлектронных и других нано-устройств и приборов. Для решения этих задач необходимо проводить исследования оптических свойств наночастиц.
Список литературы:
1. Климов В.В. Наноплазмоника. - М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ, 2009.
2. Проценко И.Е., Усков А.В. Фотоэмиссия из металлических наночастиц // Успехи физических наук. - 2012. - Т. 182, № 5.
3. Taflove A., and Hagnes S.C., 2005, Computational Electrodynamics: The Finite-Differense Time-Domain Method, 3rd. Artech House Publishers. - ISBN 158053-832-0.
4. Wave Optics Module User's Guide for COMSOL 5.2.
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ В КОСМИЧЕСКИХ ПРОЕКТАХ
© Матвеева М.В.1, Малинова О.Е.1, Новожеева А.А.1, Орлова М.О.1
Московский институт электроники и математики Национальный исследовательский университет Высшая школа экономики, г. Москва
В работе приведен краткий обзор методов создания технологий и материалов, на основе наноматериалов. Описаны наиболее интересные области применения наноматериалов. Затронуты вопросы их использования в науке и космической технике.
Ключевые слова: нанотехнологии, космический аппарат, углеродные нанотрубки, наносенсоры.
1 Студент.
