Фундаментальные свойства новых функциональных материалов на микро- и наномасштабе размеров
Проект РНФ № 14-19-01644 на 2014-2016 гг
Руководитель: Коледов В.В.
Проект посвящен изучению фундаментальных физических свойств функциональных материалов: ферромагнитных и неферромагнитных интерметаллидов с термоупругими мартенситными фазовыми переходами (ФП) и эффектами памяти, квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности c электроиндуцированными деформациями и др. на микро- и наноуровне размеров. Авторами разработаны и запатентованы методы, которые открывают новые возможности в исследовании физико-механических свойств и фазовых превращений в твердых телах на микро- и наномасштабе размеров во внешних тепловых и магнитных полях. В ходе проекта будут отрабатываться новые технологии создания функциональных материалов и композитных структур, обеспечивающие гигантские деформации во внешних полях. Будут систематически экспериментально изучены проявления структурных фазовых переходов в образцах субмикронного и нанометрового масштаба. Будут проведены новыми методами измерения деформаций и механических напряжений, развиваемых под действием внешних полей микро размерными функциональными структурами. Впервые будут изучены физико-механические свойства в мезаразмерном диапазоне 5-50 нм. Как предсказано теорией, в этом диапазоне размеров псевдопластичность присуща не интерметаллидам с термоупругим мартенситным переходом, а монокристаллам чистых металлов. Построение физических моделей и численные расчеты позволят построить адекватную теорию наблюдаемых эффектов. Особое место в проекте занимает изучение крутильных колебаний в вискерах квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности. С помощью технологии наноманипулирования, разработанной авторами проекта будут изготовлены колебательные структуры с рекордно малой толщиной вискеров в нанометровом диапазоне и изучены эффекты механических колебаний, индуцированных электрическим током.
Являясь фундаментальным, проект направлен на получения новых знаний о свойстве материалов, и поиск новых эффектов в такой области физики, техники и технологии, где в настоящее время весьма актуальными являются опытно-конструкторские разработки по внедрению на практике нового поколения устройств микросистемной техники. Таким образом его результаты будут немедленно востребованы и будут способствовать созданию основ новых технологий.
Краткий отчёт: 2016
Фазовые превращения и гигантские эффекты в новых функциональных наноматериалах
Проект РНФ № 17-19-01748 на 2017-2019 гг
Руководитель: Коледов В.В.
Проект направлен на исследование фазовых превращений и связанных с ними гигантских эффектов в нанообъемах функциональных наноматериалов в электрическом и тепловом полях. Фазовые превращения на наноуровне будут рассмотрены на примере материалов с термоупругим мартенситным фазовым переходом и эффектом памяти формы (ЭПФ) в сплавах на основе TiNi а также на примере вискеров квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности (КОП с ВЗП) TaS3, NdS3 и др. Кроме того будет изучено превращение аморфное твердое тело – кристалл и жидкость – твердое тело в каплях и частицах металлов и сплавов наноразмера (In, Ga, Ar).
Будут изучены теоретически и экспериментально предельные минимальные размеры образцов, в которых возможно проявление таких явлений, как ЭПФ и деформация, определяемая свойствами ВЗП и др. Функциональные наноматериалы будут исследованы новыми, оригинальными методами, разработанными в ходе проекта РНФ 2014-2016 гг. Будут решены следующие новые задачи. КОП с ВЗП будут исследованы в качестве генераторов-примников механических колебаний СВЧ диапазона. На наноразмерных образцах КОП с ВЗП с разной степенью натяжения будут исследованы разные моды механических колебаний (крутильных, изгибных) На КОП с ВЗП будет проведен поиск и исследование нового электромеханического эффекта: синхронизации скольжения ВЗП внешними механическими колебаниями. Будут исследованы проявления термоупруого мартенситного перехода в различных сплавах с ЭПФ в широком диапазоне температур и толщин слоев. Будет проверяться гипотеза о существовании такого масштаба размеров на наношкале, когда температура давления пригодны для описания превращения («мезомасштаб»), а атомные флуктуации еще пренебрежимо малы. Будут изготовлены композитные структуры с ЭПФ из различных сплавов с применением разработанных авторами оригинальных методов. Будут изучены их управляемые деформации вблизи физических пределов проявления теромупругого мартенситного перехода. В рамках выполнения проекта будет изучено взаимодействие частиц на субмикронном и наноуровне расстояний. Теоретически и экспериментально будут оценены силы притяжения и отталкивания, с учетом вкладов электростатического, Ван-дер-Ваальса и других, возникающие при сближении отдельных нанообъектов, в частности наноинструментов из функциональных материалов. Будет проведена теоретическая работа, проверена «мезоскопическая» гипотеза, сформулированная по результатам проекта 2014-2016 гг о существовании характерного предела толщины материала, когда атомные флуктуации еще незначительны, и давление и температура адекватно описывают протекание фазовых переходов в конденсированной среде. Для исследованных материалов будет определен «мезоскопический» предел и построена термодинамическая модель перехода. Будут проведены расчеты на основе этой модели для описания изменения формы и размеров наноинструментов из функциональных материалов. Будут создан прототип микропинцета, управляемый протекающим через него электрическим током. Такой актюатор по предположению авторов будет иметь существенно лучшее качество управления. Будет изучена возможность использования электрического поля, создаваемое подачей на актюатор и образец разности потенциалов, для организации захвата и освобождения объектов в процессе манипулирования нанообъектами. Будут изучаться также переходы типа аморфное твердое тело – кристалл на наноуровне размеров в функциональных сплавах. Будут изучаться процессы перехода жидкость – твердое тело в каплях металлов и сплавов наномасштаба размеров.
Новизна проекта заключается в том, что авторы проекта подошли в своих исследованиях физико-механических свойств материалов к такому размеру образцов (приблизительно 20-30 нм), за которым не только переходы внутри твердого состояния, но и переходы жидкость – твердое тело понижают свою температуру, проявляют размерные эффекты и эффекты близости. Будут применены уже разработанные и созданы новые методы для исследования фундаментальных свойств материалов на этом масштабе размеров («мезомасштабе»).
В ходе проекта на основе его результатов будут изготовлены и испытаны прототипы рекордных по миниатюрности и параметрам мехатронных и наномеханических устройств на основе вискеров КОП с ВЗП и композитов с ЭПФ. Так как работа по проекту будет проводиться в тесном контакте с индустриальным партнером ООО «Наноактюатор». Г. Саранск, то в случае успеха проекта, его достижения будут немедленно воплощены в серийных изделиях микросистемной техники. В плане прикладных перспектив, настоящая фундаментальная поисковая НИР направлена на создание принципиальных основ новой технологии сборки нанообъектов «снизу вверх», которая весьма актуальна в различных областях нанотехнологии и бионанотехнологии.
Краткий отчёт: 2017