CC BY
26
Компьютерное конструирование интеллектуальных супрамолекулярных элементов для наноустройств
К.П. Зольников, Ив.С. Коноваленко, С.Г. Псахье, С. Блатник1
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия Институт символьного анализа и информационных технологий, Веление, 3320, Словения
Показана возможность моделирования синтеза нанообъектов на основе метода молекулярной динамики. Для описания межатомного взаимодействия использован метод погруженного атома. Исходным материалом для получения наноструктур являлась бислойная наноразмерная кристаллическая пленка, один слой которой был составлен из атомов меди, а другой из атомов алюминия. Исследован процесс синтеза нанотрубок в зависимости от толщины слоев и длины пленки. Изучены механическая устойчивость нанотрубок, их отклик на ударные воздействия, а также поведение полученных нанообъектов при повышении температуры вплоть до плавления. Предложена принципиальная схема конструирования и использования полученных нанообъектов в качестве компонентов интеллектуальных наноустройств, преобразующих тепловую энергию в механическую.
Computer-aided design of intellectual supramolecular components for nanodevices
K.P. Zolnikov, Iv.S. Konovalenko, S.G. Psakhie, and S. Blatnik
A possibility to simulate the formation of nanoobjects using a molecular dynamics method is investigated. The embedded atom method is used to describe interatomic interaction. The initial material for the synthesis of nanotubes is a two-layer nanosized crystalline film. One of the layers is composed of copper atoms and the other layer of aluminum atoms. The synthesis of nanotubes is simulated for different values of film length and layer thickness. Mechanical stability of nanotubes and their response to shock loading are considered. Besides, thermal stability of the nanoobjects obtained is studied at a wide range of temperatures up to the melting point. We suggest the basic scheme for design of nanoobjects of complex shape and structure as well as for their use as components of intellectual nanodevices that convert thermal energy into mechanical one.
Получение нанообъектов с определенными свойствами и точно заданными геометрическими параметрами является одной из главных проблем современной нанотехнологии. Успешное решение этой задачи, вероятно, приведет к крупным достижениям в ряде научных областей и промышленности. В последнее десятилетие изучение закономерностей формирования и поведения объектов наноскопического масштаба является приоритетным направлением развития науки и техники. Прежде всего, это вызвано многообещающими результатами, полученными в этой области в последние годы [1-6]. Среди наиболее широко изучаемых объектов можно выделить два основных класса: объемные и поверхностные наноструктурные состояния, а также так называемые нанообъекты (трубки, фуллерены и т.д.). Следует отметить, что многообразие нанообъектов не исчерпывается углеродными нанотрубками и фуллеренами. Синтез нанообъектов из наноразмерных многослойных пленок фактически означает возможность создания гигантских молекул с потенциально необычными свойствами и откликом на внешние воздействия. Очевидно,
что такие супрамолекулы, в силу своих уникальных свойств, могут быть использованы в качестве конструкционных элементов различных микро- и наноустройств. Так, компьютерное моделирование можно рассматривать как удобный теоретический инструмент, позволяющий исследовать закономерности процесса синтеза нанообъектов, их физико-механические свойства и, в конечном счете, проектировать и конструировать различные супрамолекулярные элементы с заданными геометрическими параметрами и свойствами. Решению этих задач, на основе молекулярно-динамического моделирования, и посвящена данная работа.
Для решения поставленных задач проводилось моделирование синтеза нанотрубок и незамкнутых нанообъектов из трехмерных двухслойных пленок различной геометрии и исследовался их отклик на термические и ударные воздействия. Компьютерное конструирование нанообъектов выполнялось по алгоритму, предложенному в работах [7, 8].
Моделирование проводилось с использованием метода молекулярной динамики. Межатомные взаимо-
Зольников К.П., Коноваленко Ив.С., Псахье С.Г., Блатник С., 2004
Рис. 1. Наностуртуры различной геометрии: нанотрубки с практически идеальной структурой (а-в); незамкнутая наноструктура (г); замкнутая наноструктура (д)
действия в моделируемых структурах описывались в рамках метода погруженного атома [9-11]. Как показано в указанных работах эти потенциалы позволяют с хорошей точностью описывать такие важные для данной задачи свойства, как равновесный атомный объем, изменения межплоскостных расстояний вблизи свободной поверхности, энергетические параметры дефектов кристаллического строения, активационные барьеры точечных дефектов и т.д. Как и ранее в расчетах использовалась атомная система единиц [12, 13].
Исходным материалом для получения наноструктур являлась бислойная наноразмерная кристаллическая пленка, один слой которой был составлен из атомов меди, а другой из атомов алюминия. Результаты расчетов показывают, что процесс закручивания и последующее формирование устойчивых наноструктур сильно зависят как от длины исходной пленки, так и толщины слоев. На рис. 1, а-в показаны полученные нанотрубки с практически идеальной структурой, синтезированные из прямоугольных гетеропленок с толщинами слоев 4, 5 и 6 атомных плоскостей и длинами 60, 70 и 80 атомных параметров решетки алюминия соответственно. В случае гетерогенной пленки, имеющей толщину слоев 3 атомных плоскости и длину 100 атомных параметров решетки алюминия, получается незамкнутая наноструктура (рис. 1, г). Из рис. 1, а-в и д видно, что профиль поперечного сечения нанотрубок меняется в зависимости от исходных размеров нанопленки. Таким образом, на основе предложенного алгоритма [7, 8] становится возможным компьютерное конструирование нанотрубок различной геометрии.
Исследование процесса распространения ударного импульса проводилось в нанотрубке, приведенной на рис. 1, а. Вдоль оси, перпендикулярной поперечному сечению трубки, задавались жесткие граничные усло-
Время нагружения -10"14, с
Рис. 2. Зависимость затухания импульса D в нанотрубке от скорости нагружения (а) и продолжительности нагружения (б)
Рис. 3. Структура нанотрубок: вблизи точки плавления в условиях термического воздействия (а); при столкновении с абсолютно жесткой преградой (б). Скорость столкновения 400 м/с
вия, вдоль двух других направлений, нормальных к этой оси — свободные поверхности. Ударное воздействие проводилось в направлении задания жестких граничных условий. Оно моделировалось путем задания начальных скоростей атомам первых трех атомных плоскостей, находящихся на одном из торцов нанотрубки. Ударное воздействие варьировалось в интервале от 100 до 500 м/с. Время приложения нагрузки было постоянным и составляло 7.2-10-14 с. Затухание импульса при прохождении через нанотрубку оценивалось как разница его начального значения в нагружаемой области и конечного на противоположном торце по отношению к начальному значению D. Проведенные расчеты показали, что с увеличением скорости нагружения затухание импульса уменьшается (рис. 2, а).
В работе изучено влияние времени нагружения на характер распространения возмущения в нанотрубке. Продолжительность нагружения варьировалась в интервале от 1.2-10-14 до 6.0-10-14 с. Скорость нагружения задавалась равной 500 м/с. Анализ результатов показал,
Таблица 1
Частоты колебаний незамкнутой наноструктуры при различной геометрии медных включений
Супрамолекула Супрамолекула
(рис. 4, а) (рис. 4, б)
LІ|L сК и» 1:6 1:5 1:3
V, ГГц 42.3 38.3 36.1 19.4 20.8 23.4
Примечание: LІ|L — отношение длины медных включений к длине алюминиевой пленки
Рис. 4. Различные формы незамкнутых супрамолекул
что с увеличением продолжительности воздействия затухание первоначального импульса уменьшается (рис. 2, б). Таким образом, варьирование параметров нагружения может влиять на характер распространения возмущения.
Проведенные расчеты показали, что нанотрубки обладают значительной механической устойчивостью. Так, цилиндрическая нанотрубка сохраняет свою регулярную структуру при столкновении с абсолютно жесткой стенкой до очень высоких значений (до 400 м/с) скорости столкновения (рис. 3, б).
Следует отметить, что приведенные на рис. 1, а-д примеры наноструктур получены при низких температурах. Проведенное исследование влияния термализа-ции на полученные структуры показало, что из всех рассмотренных случаев наиболее устойчивыми к температурным воздействиям являются цилиндрические нанотрубки (рис. 1, а-в). Обнаружено, что «кристаллическая» (регулярная) структура нанотрубок сохраняется до температуры, более чем в два раза превышающей температуру плавления монопластины меди (наиболее тугоплавкого компонента), при использовании тех же самых граничных условий. На рис. 3, а показана структура, в которую трансформируется нанотрубка с практически идеальной структурой.
Следует отметить, что получаемые на основе нанотехнологий гигантские молекулы могут обладать новыми свойствами, обусловленными как их составом и внутренней структурой, так и «навязанной» в процессе получения геометрией.
В качестве примера рассмотрим случай алюминиевой пленки с внесенными в нее двумя медными слоями, длины которых меньше размеров, необходимых для сворачивания пленки в замкнутую конфигурацию. При ре-
лаксации нанопленки, в зависимости от взаимного расположения медных включений, формируются стабильные наноструктуры, показанные на рис. 4. При термическом воздействии на такие структуры их края начинают совершать колебательные движения. Это связано с тем, что коэффициенты теплового расширения слоев различны по величине. Результаты расчетов показали, что частоты колебаний полученных наноструктур практически не зависят от температуры нагревания, а изменяются в зависимости от длины медных включений и их взаимного расположения в алюминиевой пленке (табл. 1).
Подобное поведение незамкнутых наноструктур при нагревании указывает на принципиальную возможность создания нанодвигателя и наноустройств различного назначения на основе гигантских молекул, преобразующих тепловую энергию в механическую.
Таким образом, в настоящей работе предложен теоретический подход к компьютерному конструированию интеллектуальных наноустройств (молекул) на основе интенсивно развивающихся в последние годы нанотехнологий. Кроме того, проведенные расчеты показывают, что процессы синтеза нанообъектов из многослойных пленок могут быть успешно описаны с помощью метода молекулярной динамики на основе предложенного в настоящей работе алгоритма. Данный алгоритм позволяет провести подбор необходимых геометрических параметров многослойных пленок для сворачивания их в цилиндрические трубки с почти регулярной структурой. Кроме того, он позволяет моделировать формирование нанообъектов, оценивать характерные времена их синтеза, определять их тепловые и другие свойства, выявлять атомные механизмы, ответственные за их отклик на различные внешние воздействия и, в конечном счете, проектировать интеллектуальные наноустройства различного назначения.
Литература
1. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000. - 272 с.
2. Prinz V.Ya., Seleznev V.A., Gutakovsky A.K., Chehovskiy A.V., Preobra-zhenskii V.V., Putyato M.A., Gavrilova T.A. Free-standing and overgrown InGaAs=GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays // Phy-sica E. -2000. - V. 6. - P. 828-831.
3. Prinz V.Ya., Grutzmacher D., Beyer A., David C., Ketterer B., Dec-kardtE. A new technique for fabricating three-dimensional micro-and nanostructures of various shapes // Nanotechnology. - 2001. -V. 12. - P. 399-402.
4. Schmidt O.G., Jin-Phillip N.Y. Free-standing SiGe-based nanopipelines
on Si (001) substrates // Appl. Phys. Lett. - 2001. - V. 78. - No. 21. -P. 3310-3312.
5. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления
исследований / Под ред. М.К. Роко, PC. Уильямса, П. Аливисато-са. - М.: Мир, 2002. - 292 с.
6. Blatnik S. Naslednja silicijeva dolina // Podjetnik. - 2003. - No. 7. -P. 20-23.
7. Псахье С.Г., Зольников К.П., Блатник С. О проектировании и создании интеллектуальных наноустройств на основе современных нанотехнологий // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 4. - C. 125128.
8. Zolnikov K.P., Konovalenko Iv.S., Psakhie S.G. About possibility of nanostructures synthesis from binary metallic thin films and their mechanical and thermal properties // Proc. VI Int. Conf. for Mesome-chanics “Multiscaling in Applied Science and Emerging Technology”, Patras, Greece, May 31 - June 4, 2004. - Patras: University of Patras, 2004. - P. 371-373.
9. Daw M.S., Baskes M.I. Embedded atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals // Phys. Rev. - 1984. - V. B29. - No. 12. - P. 6443-6453.
10. Foiles S.M., Baskes M.I., Daw M.S. Embedded-atom-method for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys // Phys. Rev. -1986. - V. B33. - No. 12. - P. 7983-7991.
11. Gai J., Ye Y.Y. Simple analytical embedded-atom-potential model including a long-range force for fcc metals and their alloys // Phys. Rev. -1996. - V. B54. - No. 12. - P. 8398-8410.
12. Harrison W.A. Pseudopotentials in theory of metals. - New York-Amsterdam, 1966. - 336 с.
13. Зольников К.П., Уваров Т.Ю., Псахье С.Г. Об анизотропии процессов пластической деформации и разрушения при динамическом нагружении // Письма в ЖТФ. - 2001. - Т. 27. - № 7. - C. 1-7.
