КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 21-79-20228

НазваниеНанопузырьки в Ван-дер-Ваальсовых гетероструктурах как инструмент исследования термодинамических и структурных свойств субмикронных порций вещества для создания новых технологий энергетики

РуководительЖиляев Петр Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2021 г. - 2024 г.

Конкурс№51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Объект инфраструктуры Центр коллективного пользования вычислительными ресурсами МСЦ РАН - филиала ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые словасубмикронное ограничение объема, молекулярный конфайнмент, атомистическое моделирование, суперкомпьютерные вычисления, классическая теория функционала плотности, Ван-дер-Ваальсовы гетерструктуры, атомно силовая микроскопия, теория упругости мембран, расклинивающие давление, уравнение состояния

Код ГРНТИ31.15.00

СтатусЗакрыт досрочно

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Поверхностная адсорбция молекул – повсеместное явление, критически важное для биологических процессов, катализа, технологических процессов нанолитографии и фундаментальных исследований физики поверхности твердого тела. Слой адосрбированных молекул представляет собой двумерную систему, находящуюся под огромным давлением из-за присутствующих градиентов поверхностных сил [1], [2]. Кроме этого, адсорбция молекул на поверхности обеспечивает выигрыш в потенциальной энергии, превосходящий потерю части кинетической энергии за счет ограничения движения по нормали к поверхности. В свою очередь, такое ограничение движения приводит к снижению количества степеней свободы отдельных молекул и как следствие изменению их электронной структуры, потенциалов взаимодействия и химической активности [3]. Условия многомерного ограничения объема молекул создаются путем их адсорбции внутри пористых минералов, например, цеолитов [4], активированных углеродных волокон [5], нанотрубок [6], фуллеренов [7], металл-органических структур [8] и являются активной темой исследований в физической химии поверхности на протяжении последних десятилетий. Ограничение движения атомов в нанометровом масштабе дает колоссальное изменение энергетического ландшафта молекул, порой меняя фазовые диаграммы состоящих из них веществ до неузнаваемости [9]. Так, например, для атомов серы, адсорбированных внутри углеродных нанотрубок при субатмосферном давлении паров был обнаружен рост одномерных молекулярных цепочек с металлическими свойствами, при том, что для свободных атомов серы металлическая фаза формируется при давлении в 95 ГПа [10]. В другом эксперименте наблюдался переход жидкость – твердое тело для нанометрового слоя циклогексана, захваченного между слоями слюды [11]. Типичная температура перехода для этого вещества в объеме при атмосферном давлении составляет 263.4 К, а в состоянии конфайнмента циклогекасан кристаллизуется при 300 К. Интересно, что в таких системах при введении конфайнмента как внешнего воздействия, наблюдаются не только фазовые переходы I рода, сопровождающиеся резким структурным изменением вещества, но и переходы II рода, при которых агрегатное состояние вещества остается неизменным, но спонтанно нарушается его симметрия, и фаза с пониженной симметрией характеризуется конечным параметром порядка. Так, например, для воды, зажатой в капиллярах из атомарно тонкого нитрида бора наблюдалось подавление диэлектрической проницаемости почти на два порядка, что характерно для переходов сегнетоэлектрик – параэлектрик. Перспективной системой для изучения вещества в условия субмикронного объема (от 1 мкм до 1 нм) являются Ван-дер-Ваальсовы (ВДВ) гетероструктуры (Рис. 1 дополнительных материалов), где атомарно тонкие слои двумерных материалов - графена, гексагонального нитрида бора (hBN) и дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) – удерживаются вместе лишь слабым ван-дер-ваальсовым взаимодействием [13]. В ВДВ гетероструктурах вещество может быть локализовано между слоями двумерных материалов, когда же одни из слоёв является внешним, то образуется пузырёк (вспученность), который легко доступен для экспериментального исследования методами просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии, туннельной электронной и спектроскопии комбинационного рассеяния света. В рамках данного проекта планируется провести теоретическое исследование фазовых переходов в графеновых нанопузырьках. Проект будет состоять из двух частей: молекулярно-динамическое моделирование и построение континуальной модели. Молекулярно-динамическое (МД) моделирование будет проведено для графеновых пузырьков с радиусами в диапазоне от 1 до 50 нм. Такой диапазон радиусов соответствует достаточно высоким давлениям до 1 ГПа [5] (чем меньше радиус пузырька, тем больше давление внутри). Поэтому, в этом интервале радиусов планируется исследовать фазовый переход твердое тело -- жидкость. В качестве материала подложки будут рассмотрены графен, бромнитрид и MoS2. Будут исследованы графеновые пузырьки с водородом, метаном, этаном и водой. Метан и этан выбраны, так как углеводороды чаще всего являются захваченным веществом во время процесса создания Ван-дер-Ваальсовых гетероструктур [4]. Заданные температуры в МД моделировании будут лежать в интервале от 0 до 1000 К. Фазовый переход будет фиксироваться по изменению атомистической структуры и вычислению парно-корреляционной функции вещества внутри пузырька. Будет исследована зависимость формы пузырька, распределения напряжений и деформаций от фазового состояния и типа вещества внутри пузырька. Планируется вычислить кривые плавления для водородв, метана, этана в конфайнменте графеного нанопузырька и исследовать влияния конфайнманта на них. Континуальное моделирование будет применено для исследования пузырьков в диапазоне радиусов от 50 нм до 1000 нм. В силу ограничений вычислительной техники этот диапазон радиусов не доступен для прямого МД моделирования. В этом диапазоне планируется исследовать фазовый переход жидкость -- газ. В континуальную модель будут включены: теория упругости мембран, уравнение состояния вещества внутри пузырька, взаимодействие между субстратом и двумерным кристаллом. Упругие модули, энергия адгезии, уравнение состояния вещества будут получены из атомистического моделирования. Разработанная континуальная модель будет верифицирована и "сшита" с прямым молекулярно-динамическим моделированием для графеновых пузырьков радиусов меньше 50 нм. Континуальная модель позволит определить зависимость формы пузырька от состояния вещества внутри, учесть влияние фазового перехода на распределения напряжений и деформаций во внешней оболочке пузырька. Это может быть использовано в атомно-силовой микроскопии, когда внешняя форма пузырька известна, но нет информации о типе/состоянии вещества внутри. [1] Geim, A. K. & Grigorieva, I. V. Van der waals heterostructures. Nature 499, 419–425 (2013) [2] Novoselov, K., Mishchenko, A., Carvalho, A. & Neto, A. C. 2d materials and van der waals heterostructures. Science 353, aac9439 (2016) [3] Levy, N. et al. Strain-induced pseudo–magnetic fields greater than 300 tesla in graphene nanobubbles. Science 329, 544–547 (2010) [4] Khestanova, E., Guinea, F., Fumagalli, L., Geim, A. & Grigorieva, I. Universal shape and pressure inside bubbles appearing in van der waals heterostructures. Nature Communications 7 (2016) [5] Vasu, K. S. et al. Van der Waals pressure and its effect on trapped interlayer molecules. Nature communications 7, 12168 (2016) [6] Lim, C. H. Y. X. et al. A hydrothermal anvil made of graphene nanobubbles on diamond. Nature communications 4, 1556 (2013) [7] Mu, R. et al. Visualizing chemical reactions confined under graphene. Angewandte Chemie International Edition 51, 4856–4859 (2012) [8] Бухараев А А, Звездин А К, Пятаков А П, Фетисов Ю К. Стрейнтроника — новое направление микро- и наноэлектроники и науки о материалах. УФН, 188 1288–1330 (2018) [9] Tyurnina A. et al. Strained bubbles in van der Waals heterostructures as local emitters of photoluminescence with adjustable wavelength. ACS Photonics (2019) [10] Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные силы. М.: Наука, (1985) [11] Klein, J., Kumacheva, E. Confinement-induced phase transitions in simple liquids. Science, 269(5225), 816-819 (1995)

Ожидаемые результаты
1) Впервые будет разработана многомасштабная модель (атомистическое моделирование + континуальный подход), которая позволит описать и предсказать структуру и термодинамические свойства вещества в пузырьках в ВдВ гетероструктурах 2) Будет разработана новая методика исследования уравнений состояния углеводородов, используя пузырьки в ВдВ гетероструктурах для создания контролируемых условий субмикронного ограничения объема (метан, этан, пропан, бутан и возможно другие углеводороды). Фундаментальные исследования в рамках проекта по развитию теории и методов моделирования будут направлены на получение инструментария для совершенствования следующих технологии: — Использования нанопузырьков в ВдВ гетероструктурах для исследования свойств вещества в том числе уравнения состояния в условия субмикронного ограничения объема. — Использование нанопузырьков в ВдВ гетероструктурах для хранения мезоскопических объемов газа, в том числе для хранения углеводородов — Использование нанопузырьков в ВдВ гетероструктурах в механических, оптических и электронных устройствах — Создание методов по удалению нанопузырьков в ВдВ гетероструктурах в том случае, когда они являются технологическим дефектом

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---