Лаборатория самоорганизации наночастиц и фотоники ансамблей наночастиц
Заведующий лабораторией к.ф.-м.н. Лебедев-Степанов Петр Владимирович.
Круг научных интересов: физико-химические методы и компьютерное моделирование многомасштабного тепломассопереноса, в том числе процессов самоорганизации наноструктур, предсказание морфологии и свойств самособирающихся структур для приложений в технологиях печати, фотонике, электронике, медицинской диагностике.
Имеет 150 научных публикаций.
Email: PETRLS@mail.ru, PETRLS@yandex.ru, PETRLS@photonics.ru
Научное направление лаборатории: фундаментальные исследования многомасштабных процессов самоорганизации и самосборки в испаряющихся каплях и тонких пленках раствора, исследование свойств получаемых наноструктурированных систем и управление процессами их получения для формирования структур с заданными свойствами для приложений в технологиях печати, фотонике, электронике, медицине.
Основные результаты
1. Разработана многомасштабная физикохимическая модель десольватационной самосборки наноструктурированного паттерна, которая включает: 1) микрофлюидику раствора в испаряющейся капле на плоской подложке, 2) теорию испарения капли раствора, в том числе – с бинарным растворителем, 3) динамику микро- и наночастиц, растворенных в испаряющейся капле и формирующих паттерн. Метод диссипативной динамики частиц, примененный для компьютерного моделирования самосборки, был нами впервые развит для систем с изменяемым (при испарении) объемом. Модель непрерывно совершенствуется с учетом более полного набора факторов, влияющих на процессы самоорганизации и с целью рассмотрения все более сложных систем: в настоящее время разрабатывается не имеющая мировых аналогов модель самосборки в бинарных растворителях, дальняя цель – многокомпонентные растворы, в т.ч. биологические жидкости и растворы для получения нанокомпозитных покрытий.
Исследуется влияние на морфологию паттерна:
свойств подложки – шероховатости, адгезионных свойств, геометрии,
смачиваемости подложки растворителем,
внешних силовых полей – инерции (spin-coating), акустического,
температурного режима подложки,
рН, ионной силы, вязкости растворителя,
типа частиц и количества заряженных групп, формы и размера частицы,
соотношения бинарных компонентов растворителя,
размера капли, концентрации,
получение разного типа морфологии – от монослоя до более сложных распределений.
Рис.1. Морфология паттерна полистирольных наночастиц диаметром 200 нм, полученных по технологии струйной печати в испаряющейся капле пиколитровго объема: a – эксперимент (изображение получено с помощью атомно-силового микроскопа), b,c – моделирование.
Рис.2. Примеры паттернов из наночастиц, полученные моделированием процесса самосборки в испаряющейся пиколитровой капле раствора.
2. В рамках совместного с ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН(лаборатория проф. А.Я. Вуля) и НИЦ «Курчатовский институт» проекта решена фундаментально-прикладная задача получения и оптимизации нанокомпозитных пленок на основе детонационного наноалмаза (ДНА) – нанокристаллита размером 4 нм – и специально синтезированных водорастворимых полимеров: полиакриловая кислота, каррагенан, сульфо-хитозан, сульфированный полианилин (СПАНИ). С использованием технологии центрифугирования (spin-coating) получены лабораторные образцы, исследованы их физико-химические свойства. В процессе исследований удалось перейти от агрегированных пленок чистого ДНА с плохой адгезией к покрытиям с высокими однородностью и адгезией, а также высоким содержанием дезагрегированных кристаллитов ДНА, обеспечивающих уникальные электрофизические свойства покрытия. Впервые экспериментально были измерены токи эмиссии, создаваемые отдельным (дезагрегированным) ДНА на проводящей подложке – как в изолированном виде, так и в тонкопленочной полимерной матрице. Установлено, что тип подложки, тип полимера, режим нанесения, концентрации компонентов, режим отжига образца для снятия адсорбционной пленки в вакууме - определяющие факторы оптимизации функциональных характеристик покрытия. Полученные результаты указывают на перспективность разработки однородных плоских полевых электронных эмиттеров на основе тонкослойного нанокомпозитного покрытия, содержащего дезагрегированные наноалмазы в полимерной матрице. СПАНИ; найдены фундаментальные и технологические резервы для дальнейшего улучшения свойств покрытий. Продолжается работа по исследованию и оптимизации уникальных свойств эмиссионного центра, возникающего в системе ДНА-полимер-проводящая подложка.
Рис. 3. В процессе исследований удалось перейти от агрегированных пленок чистого ДНА с плохой адгезией (слева – пленка ДНА без полимера на подложке Si) к покрытиям с высокими однородностью и адгезией, а также высоким содержанием дезагрегированных кристаллитов ДНА, обеспечивающих уникальные электрофизические свойства покрытия (справа – нанокомпозитная пленка ДНА-СПАНИ на подложке Ni).
3. Разработан метод анализа параметров упаковки микрочастиц после высыхания капли (период решетки, число слоев, степень упорядоченности) на основе численного моделирования оптических спектров отражения и пропускания.
Были проведены расчеты оптических свойств микропаттернов разной степени упорядочения, смоделированных с помощью программы самосборки наночастиц в испаряющейся капле раствора, полученных микластеров, методом конечных разностей для решения уравнений Максвелла на решетке во временной области (FDTD, англ. Finite Difference Time Domain). Этот метод представляет собой численную процедуру, в рамках которой производится прямое интегрирование этих уравнений. Для расчетов многослойных упорядоченных структур из диэлектрических наночастиц мы применяли метод Корринга-Кона-Ростокера – полуаналитический метод расчета рассеяния плоских волн на периодически-упорядоченных сферически-симметричных рассеивателях.
Результаты моделирования указывают на хорошую чувствительность спектров пропускания и отражения к наличию упорядоченной структуры (рис.3). Описанный теоретически оптический метод диагностики может быть использован для экспресс-анализа степени упорядоченности наночастиц в реальной тонкопленочной структуре.
Рис. 4. Спектры пропускания и отражения для двух паттернов – упорядоченного (1) и неупорядоченного (2). [М.В. Богданова, П.В. Лебедев-Степанов].
Среди других результатов:
Создан новый метод расчета фононных спектров в металлах, их сплавах и ионных кристаллах, в т.ч. в виде наночастиц и их ансамблей. Показано, что максимальная частота коллективных когерентных колебаний ионов лимитируется плазменной частотой системы.
Рассчитано поле акустических радиационных сил и структура акустических течений, в сферической и плоской каплях на твердой подложке. Силы формируются в результате воздействия на жидкость капиллярной волны, распространяющейся вдоль свободной сферической поверхности.
Исследованы изотермы многослойной сорбции стириловых красителей (СК) пиридинового ряда (дикатионов) с активными центрами (COOH) на поверхности полистирольных коллоидных частиц в водном растворе в зависимости от длины N-аммониоалкильного заместителя СК и диаметра частиц. Предложена новая модель сорбции, учитывающая как ионно-обменный механизм сорбции (замещения ионов Н+ на дикатионы СК), так и фазовый переход СК в ионный конденсат, происходящий при концентрировании диффузного слоя ионов вблизи электрически заряженной поверхности частиц, если концентрация раствора красителя достаточно велика.
Научно-учебная работа
С 2009 г. по настоящее время Лебедев-Степанов П.В. читает годовой лекционный курс (3-й и 4-й семестры магистратуры) на кафедре «Физика конденсированных сред» НИЯУ МИФИ «Методы описания процессов в ансамблях наночастиц (самосборка)» (2 часа/нед), в основу которого положены результаты исследований лаборатории.
На основе лекционного курса издано учебное пособие и монография с расширенным изложением материала:
Лебедев-Степанов П.В. Введение в самосборку ансамблей наночастиц. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – 184 с. ISBN 978-5-7262-1754-3,
Лебедев-Степанов П.В. Введение в самоорганизацию и самосборку ансамблей наночастиц. М.: НИЯУ МИФИ, 2015. – 304 с. ISBN 978-5-7262-2132-8.
Было выпущено около двух десятков бакалавров, специалистов и магистров.
Темы текущих магистерских работ, проводимых в лаборатории:
Кобелев А. С. «Моделирование капли бинарного растворителя, установленной на подложке» - защищен диплом бакалавра» (1-й год магистратуры НИЯУ МИФИ).
Ефимов С.Д. «Моделирование самоорганизации наночастиц в потоках Марангони» (2-й год магистратуры НИЯУ МИФИ).
Ваганов С.В. «Моделирование движения наночастиц в микрогидродинамических потоках» (2-й год магистратуры НИЯУ МИФИ).
Темы кандидатских работ:
Степко А.С. «Влияние функционализации поверхности полимерных и наноуглеродных наночастиц оптически активными соединениями на их структуру и спектральные свойства» (2-й год аспирантуры ЦФ РАН).
Грушникова Е.Ю. «Многомасштабные процессы сорбции и диффузии молекул из газовой или жидкой фазы в массивы микро- и наночастиц разной степени упорядоченности».
Сотрудничество
Мы сотрудничаем с НИЯУ МИФИ, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» и СарФТИ НИЯУ МИФИ г. Саров, МГУ им. М.В. Ломоносова, Астраханским Гос. Университетом, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, НИЦ «Курчатовский институт», IOP Institute of Physics (Printing and Graphics Science Group, Medical Physics Group). Наши работы выполняются при частичной поддержке грантов РФФИ, программы Президиума РАН, ФЦП и др.
В соответствии с политикой ФАНО по реформе РАН на коммерциализацию разработок лаборатория развивает прикладные направления. Среди успехов в данном направлении – выигрыш совместной с СарФТИ и ВНИИФ (Саров) заявки по созданию программно-аппаратного комплекса для медицинской диагностики на конкурсе ФАНО и РОСНАНО в «Открытые инновации» в 2014 г.
Результаты исследований публикуются в научной печати (за последние 7-8 лет более 30 статей) и доложены на профильных международных и Российских конференциях (ок. 80 докладов, в т.ч. таких международных конференциях как Droplets 2013 и 2015, Flow 2014, Colloids 2015 и 2016, Diamond & Carbon Materials 2016); получено 3 патента и одно свидетельство на программу ЭВМ.
Основные публикации
1. Лебедев-Степанов П.В. Введение в самоорганизацию и самосборку ансамблей наночастиц. М.: НИЯУ МИФИ, 2015. – 304 с. ISBN 978-5-7262-2132-8.
2. Лебедев-Степанов , П.В. Формирование наноалмазных пленок из водных суспензий по технологии центрифугирования/ П.В. Лебедев-Степанов, С.П. Молчанов, А.Л. Васильев, В.П. Митрохин, Г.А. Юрасик, А.Е. Алексенский, А.Т. Дидейкин // ЖТФ, 2016, Т. 86б №3. - С. 83-90.
3. Lebedev-Stepanov P.. Plasma frequency approach to estimate the Debye temperature of the ionic crystals and metal alloys. // Journal of Physics and Chemistry of Solids 2014; 75(7):903–910.
4. Lebedev-Stepanov P.V., Vlasov K.O. Simulation of self-assembly in an evaporating droplet of colloidal solution by dissipative particle dynamics. Colloids and Surfaces A : Physicochem. Eng. Aspects 432 (2013) 132.
5. Лебедев-Степанов, П.В. Акусто-микро-флюидика: капиллярные волны и вихревые течения в сферической жидкой капле/ П.В. Лебедев-Степанов, О.В. Руденко// Акустический журнал. – 2016. – Т. 62. №4. - С. 408-411
