Россия
В связи с развитием новых методов нанотехнологии в статье рассмотрены особенности морфологии нанообъектов, предопределяющие актуальность модернизации подготовки магистрантов при изучении дисциплин «Наноматериаловедение», «Нанотехнология», «Начертательная геометрия, инженерная и компьютерная графика» и «Компьютерное моделирование». В последнее время понятие «кластер» становится актуальным в связи с тенденцией развития наноматериалов. Такие наноматериалы, полученные с помощью нетрадиционных механизмов роста (включая ориентированное сращивание (oriented attachment)) чрезвычайно интересны в области электроники, фотоники и представляют большой интерес для катализа. В статье рассмотрены гомоатомные кластеры, построенные из одинаковых структурных единиц. Стремление к минимуму энергии выражается в тенденции к плотнейшему расположению структурных единиц в кластере. Это позволяет утверждать, что наиболее устойчивыми будут структуры кластеров, имеющие максимальное число связей, приходящихся на одну структурную единицу; что кластеры стремятся к квазисферической форме (т.е. размеры кластера по трем декартовым осям по возможности должны быть близки, при этом образуются плотные структуры, поверхность которых минимальна, а число связей максимально); что кластеры с более высокой симметрией предпочтительнее (одинаковые структурные единицы, слагающие каркас кластера, должны стремиться к пребыванию в неотличимом друг от друга состоянии и положении). В работе применены знания и умения, закладываемые студентам в курсе инженерная и компьютерная графика к исследованиям закономерностей протекания процессов в наномире на примере принципов построения нанокластеров по тетраэдрической линии с помощью трехмерного моделирования в среде Autodesk 3ds Max. Визуализация и наглядное представление геометрических образов нанокластеров позволит избежать примитивно-геометрического представления о нанообъектах у студентов и послужит мотивацией к изучению других естественнонаучных предметов. Содержание статьи предназначено специалистам, работающим в областях нанотехнологии, твердотельной электроники, микро- и наноэлектроники, микро- и наносистемной техники, тонкопленочной сенсорики.
трехмерное моделирование, нанокластеры, тетраэдрические кластеры
1. Бобков А.А. Материаловедение микро- и наносистем. Иерархические структуры [Текст] / А.А. Бобков, И.Е. Кононова, В.А. Мошников // под ред. В. А. Мошникова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”. - 2017. - 204 с.
2. Вышнепольский В.И. Цели и методы обучения графическим дисциплинам [Текст] / В.И. Вышнепольский, Н.А. Сальков // Геометрия и графика. - 2013. - Т. 1. - № 2. - C. 8-9. - DOI:https://doi.org/10.12737/777.
3. Дубов П.Л. Кластеры и матрично-изолированные кластерные сверхструктуры [Текст] / П.Л. Дубов, Д.В. Корольков, В.П. Петрановский -СПб.: Изд-во СПбГУ, 1995. - 256 с.
4. Иванов Г.С. Перспективы начертательной геометрии как учебной дисциплины [Текст] / Г.С. Иванов // Геометрия и графика. - 2013. - T. 1. - № 1. - С. 26-27. - DOI:https://doi.org/10.12737/775.
5. Мясниченко В.С. Влияние внешнего давления на термодинамическую стабильность ГЦК нанокристаллов золота, серебра и меди c «магическим» числом атомов 147 [Текст] / В.С. Мясниченко, А.Ю. Колосов, Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков // Сборник научных трудов VI международной научной конференции «Химическая термодинамика и кинетика» под редакцией Ю.Д. Орлова. - 2016. - Тверь: Изд-во: Тверской государственный университет. - С. 186-187.
6. Мясниченко В.С. Применение представления о структурных многогранниках заполнения координационных сфер в объемных кристаллах к проблеме поиска устойчивых форм нанокластеров. I [Текст] / В.С. Мясниченко, М.Д. Старостенков // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2011. - Т. 8. - № 2. - С. 49-52.
7. Мясниченко В.С. Применение представления о структурных многогранниках заполнения координационных сфер в объемных кристаллах к проблеме поиска устойчивых форм нанокластеров. II [Текст] / В.С. Мясниченко, М.Д. Старостенков // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2012. - Т. 9. - № 3. - С. 284-288.
8. Неорганическая химия [Текст]. В 3-х т. Т. 1: Физико-химические основы неорганической химии: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / М.Е. Тамм, Ю.Д. Третьяков; под ред. Ю.Д. Третьякова. - М.: Издательский центр "Академия", 2004. - 240 с.
9. Плескунов И.В. Развитие исследований низкоразмерных металлосодержащих систем от П.П. Веймарна до наших дней [Текст] / Плескунов И.В., Сырков А.Г. // Записки Горного института - 2018. - Т. 231. - С. 287. - DOI:https://doi.org/10.25515/PMI.2018.3.287.
10. Поленов Ю.В. Физико-химические основы нанотехнологий: учеб. пособие [Текст] / Ю.В. Поленов, М.В. Лукин, Е.В. Егорова. - Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т., 2013. - 196 с.
11. Редель Л.В. Роль «магических» чисел при формировании структуры в малых нанокластерах серебра [Текст] /Л.В. Редель, Ю.Я. Гафнер, С.Л. Гафнер // Физика твердого тела. - 2015. - Т. 57. - № 10. - С. 2061-2070.
12. Рыжкова Д.А. Роль «магических» ГПУ чисел в устойчивости внутреннего строения нанокластеров Ag89 и Ag153 [Текст] / Д.А. Рыжкова, С.Л. Гафнер, Ю.Я. Гафнер // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов - 2021. - № 13. - С. 593-603. - DOI:https://doi.org/10.26456/pcascnn/2021.13.593.
13. Сальков Н.А. Геометрическое моделирование и начертательная геометрия [Текст] / Н.А. Сальков // Геометрия и графика. - 2016. - Т. 4. - № 4. - C. 8-9. - DOI:https://doi.org/10.12737/22841.
14. Сальков Н.А. Качество геометрического образования при различных подходах к методике обучения [Текст] / Н.А. Сальков // Геометрия и графика. - 2016. - Т. 8. - № 4. - C. 47-60. - DOI:https://doi.org/10.12737/2308-4898-2021-8-4-47-60.
15. Сальков Н.А. Место начертательной геометрии в системе геометрического образования технических вузов [Текст] / Н.А. Сальков // Геометрия и графика. - 2016. - Т. 4. - № 3. - C. 53-61. - DOI:https://doi.org/10.12737/21534.
16. Сальков Н.А. Начертательная геометрия - база для компьютерной графики [Текст] / Н.А. Сальков // Геометрия и графика. - 2016. -Т. 4. - № 2. - С. 37-47. - DOI:https://doi.org/10.12737/19832.
17. Спивак Л.В. Физико-химические основы процессов микро- и нанотехнологии [Электронный ресурс]: учеб. пособие: в 2 ч. / Л. В. Спивак, Н. Е. Щепина. - Пермь: Перм. гос. нац. исслед. ун-т. Электрон. дан., 2018. Ч. 1. - http:www.psu.ru > book > uchebnie-posobiya (дата обращения: 11.07.2022).
18. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - М.: КомКнига, 2006. - 592 с.
19. Шевельков А. В. Химические аспекты создания термоэлектрических материалов [Текст] // Успехи химии. - 2008. - Т. 77. - С. 3-21. - DOI:https://doi.org/10.1070/RC2008v077n01ABEH003746.
20. Cölfen H. Mesocrystals and Nonclassical Crystallization [Текст] / H. Cölfen; M. Antonietti. - Wiley: Chichester, UK, Hoboken, NJ, USA, 2008. - 276 p. - DOI:https://doi.org/10.1002/9780470994603.1
21. Cölfen H. Mesocrystals: Inorganic superstructures made by highly parallel crystallization and controlled alignment [Текст] / H. Cölfen, M. Antonietti // Angew. Chem. Int. Ed. - 2005. -V. 44. - P. 5576-5591. - DOI:https://doi.org/10.1002/anie.200500496.
22. Gasanly S.A. The concept of the phases ratio control during the formation of composite filamentary nanocrystals xInSe-(1-x) In2O3 on glass substrates [Текст] / S.A. Gasanly, V.V. Tomaev, T.V. Stoyanova // J. Physics: Conf. Ser. - 2017. - V. 917. - P. 32021. - DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/917/3/032021.
23. Harbola M. K. Magic numbers for metallic clusters and the principle of maximum hardness [Текст] // PNAS. - 1992. - V. 89 (3). - P. 1036-1039. - DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.89.3.103. 31
24. Jehannin M. New horizons of nonclassical crystallization [Текст] / M. Jehannin, A. Rao, H. Cölfen // J. Am. Chem. Soc. - 2019. - V. 141. - P. 10120-10136. - DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.9b01883 2.
25. Jia Yu. Tetrahedral Pt10−Cluster with Unique Beta Aromaticity and Superatomic Feature in Mimicking Methane [Текст] / Yu. Jia, X. Yu, H. Zhang, L. Cheng, Zh. Luo // The Journal of Physical Chemistry Letters. - 2021. - V. 12. - P. 5115 - 5122. - DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c01178.
26. Kaatz F. H. Magic Mathematical Relationships for Nanoclusters [Текст] / F. H. Kaatz, A. Bultheel, M. Engel, N. Vogel // Nanoscale Research Letters. - 2019. - V. 14. - P. 150. - DOI:https://doi.org/10.1186/s11671-019-2939-5.
27. Kononova I.E. Development of a model for the formation of materials with a hierarchical pore structure produced under sol-gel processing conditions [Текст] / I.E. Kononova, V.A. Moshnikov, P.V. Kononov // Inorganic Materials. - 2018. - V. 54. - № 5. - P. 478- 489. - DOI:https://doi.org/10.1134/S0020168518050060.
28. Kononova I. Fractal-Percolation structure architectonics in sol-gel synthesis [Текст] / I. Kononova, P. Kononov, V. Moshnikov, S. Ignat’ev // International Journal of Molecular Sciences. - 2021. - V. 22(19). - P. 10521 - DOI:https://doi.org/10.1134/S0020168518050060.
29. Kononova I.E. Influence of Binder on Porous Structure of Zeolite Compositions and Their Catalytic Activity [Текст] / E. V. Maraeva, S. A. Skornikova, V. A. Moshnikov // Glass physics and chemistry. - 2020. - V. 46. - № 2. - P. 162-169. - DOI:https://doi.org/10.1134/S1087659620020066.
30. Krasnyy V.A. The use of nanomaterials to improve the wear resistance of machine parts under fretting corrosion conditions [Текст]. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering / V.A. Krasnyy // IOP Publishing. - 2019. - V. 560. - P. 1-5. - DOI:https://doi.org/10.1088/1757-899x/560/1/012186.
31. Madison A.E. Looking for alternatives to the superspace description of icosahedral quasicrystals [Текст] / A.E. Madison, P.A. Madison // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. - 2019. - V. 475. - P. 20180667. - DOI:https://doi.org/10.1098/rspa.2018.0667.
32. Madison A.E. Structure of icosahedral quasicrystals within the multiple cell approach [Текст] / AE Madison, PA Madison // Structural Chemistry. - 2020. - V. 31 (1). - P. 485-505. - DOI:https://doi.org/10.1007/s11224-019-01430-w. 9.
33. Madison A.E. Substitution rules for icosahedral quasicrystals [Текст] // RSC Adv. -2015. - V. 5. - P. 5745-5753. - DOI:https://doi.org/10.1039/C4RA09524C.
34. Niederberger M. Oriented attachment and mesocrystals: Non-classical crystallization mechanisms based on nanoparticle assembly [Текст] / M. Niederberger, H. Cölfen // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2006. - V. 8. - P. 3271-3287. - DOI:https://doi.org/10.1039/B604589H.
35. Reimann S. M. Magic triangular and tetrahedral clusters [Текст] / S. M. Reimann, M. Koskinen, H. Ha¨kkinen, P. E. Lindelof, M. Manninen // Physical review B. - 1997. -- V. 56. - № 19. - P. 1247-1250. - DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevB.56.12147.
36. Salikhov K.M. Using Optical Activation to Create Hydrogen and Hydrogen-Containing Gas Sensors [Текст] / K.M. Salikhov, N.D. Stoyanov, T.V. Stoyanova // Key Eng. Mater. - 2020. - V. 854. - P. 87-93. - DOI:https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/kem.854.87.
37. Smerdov R. Advances in Novel Low-Macroscopic Field Emission Electrode Design Based on Fullerene-Doped Porous Silicon [Текст] / R. Smerdov, Y. Spivak, I. Bizyaev, P. Somov, V. Gerasimov, A. Mustafaev, V. Moshnikov // Electronics 2020. - V. 10. - P. 42. - DOI:https://doi.org/10.3390/electronics10010042.
38. Smerdov R. Functionalized nanostructured materials for novel plasma energy systems [Текст] / R. Smerdov, A. Mustafaev, Y. Spivak, Moshnikov V. // In Topical Issues of Rational Use of Natural Resources 2019. CRC Press. - 2019. - P. 434-441. - DOI:https://doi.org/10.1201/9781003014577-55.
39. Spivak Yu.M. The architectonics features of heterostructures for IR range detectors based on polycrystalline layers of lead chalcogenides [Текст] / Yu.M. Spivak, I.E. Kononova, P.V. Kononov, V.A. Moshnikov, S.A. Ignat’ev // Crystals 2021. - V. 11. - P. 1143-1159. - DOI:https://doi.org/10.3390/cryst11091143.
40. Sturm E.V. Mesocrystals: Past, Presence, Future [Текст] / E.V. Sturm, H. Colfen // Crystals. - 2017. - V. 7. - P. 207. - DOI:https://doi.org/10.3390/cryst7070207.
41. Syrkov A.G. On the priority of Saint-Petersburg Mining University in the field of nanotechnology science and nanomaterials [Текст] / A.G. Syrkov // J. Min. Inst. - 2016. - V. 221. - P. 730-736. - DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/917/3/032021.
42. Tomaev V.V. Formation of nanocomposite film (polypirrol)/(aluminum) oxide on aluminum surface [Текст] / V.V. Tomaev, K.L. Levine, T.V. Stoyanova, A.G. Sirkov // In AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC. - 2019. - V. 2064. - I. 030016. - DOI:https://doi.org/10.1063/1.5087678.
43. Tomaev V. Synthesis and Study of a Polypyrrole-Aluminum Oxide Nanocomposite Film on an Aluminum Surface [Текст] / V. Tomaev, K. Levine, T. Stoyanova, A.G. Syrkov // Glas. Phys. Chem. - 2019. - V. 45. - P. 291-297. -DOI:https://doi.org/10.1134/s1087659619040126.
44. Wang J. Magic number colloidal clusters as minimum free energy structures [Текст] / J. Wang, Ch. F. Mbah, T. Przybilla, B. A. Zubiri, E. Spiecker // Nature communications. - 2018. - V. 9 (1). - I. 5259. - DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-018-07600-4.
