ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2010, том 48, № 6, с. 869-876
УДК 541.11
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ДАННЫХ ПО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ И ПРИМЕНЕНИЮ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР
© 2010 г. А. О. Еркимбаев, В. Ю. Зицерман, Г. А. Кобзев
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва Поступила в редакцию 11.05.2010 г.
Разработаны методические основы создания информационных систем по свойствам наноразмер-ных объектов. Показано, что основным требованием к таким системам является способность поддерживать вариации логической структуры данных, проявляемые в перманентной смене номенклатуры характеристик и правил идентификации, зависящих от конкретного вида наноструктуры. Предложена компьютерная технология организации фонда справочных данных, учитывающая специфику наноструктур и наноматериалов. При конкретной реализации базы данных в качестве сферы приложения выбран наноуглерод с учетом множества его изученных форм (фуллерены, нано-трубки, наноалмазы и т.д.), в сочетании с непрерывным потоком данных о вновь открытых формах, выявлением их свойств и потенциала применения. Схема описания данных основана на многофакторной классификации наноформ углерода, использующей топологические признаки, тип химической связи и многочисленные морфологические признаки. Текущее содержание базы данных представлено термодинамическими свойствами фуллеренов, их конденсированных аналогов и частиц наноалмаза. Показано, что инструментарий базы данных позволяет в концентрированном виде хранить и распространять численные и качественные данные для множества форм наноуглерода различной структуры и типологии.
ВВЕДЕНИЕ
После открытия фуллерена и углеродных на-нотрубок (УНТ) синтезировано множество форм наноуглерода, различающихся по размеру, морфологии, энергетической стабильности и т.д. [1, 2]. В значительной степени интерес к нанофор-мам углерода определяется их уникальными свойствами (особенно УНТ, графена, наноалма-зов), благодаря которым открываются перспективы для создания новых устройств. Так, УНТ характеризуются рекордным значением модуля Юнга (на уровне ТПа), а графены — рекордным значением теплопроводности (свыше 5000 Вт/мК). Наряду с "популярными" наноструктурами (УНТ, фуллерены) объектом интенсивных исследований стали объемные формы наноуглерода, прежде всего нанографит, свойства и направленное изменение которого связаны с топологией сетки 8р2-орбита-лей [3]. На его основе созданы различные классы наноматериалов: волокна, стеклоподобный углерод, композиты и др. Множество макроскопических веществ синтезировано на базе фуллеренов и частичек алмаза, выступающих в роли нано-структурных единиц [1, 2].
Огромное число изученных форм в сочетании с потоком данных о вновь синтезированных определяют актуальность создания в этой области справочно-аналитических материалов и компьютерных баз данных (БД). В то же время специфика предмета и ограниченный уровень знаний достаточно сильно сказываются на объеме и качестве
данных, что проявляется в разбросе результатов измерений и частой смене номенклатуры понятий и характеристик. Поэтому созданию БД должна предшествовать большая методическая работа, с тем чтобы сформулировать принципы обработки и систематизации информационного потока.
В статье описаны предварительные итоги методической работы, которые позволили: 1) выработать принципы систематизации форм наноуг-лерода; 2) сформировать гибкую структуру данных с учетом возможных вариаций номенклатуры характеристик. Анализ специфики информационного потока и данных по свойствам позволил разработать общую схему описания данных (метаданные [4]), реализованную посредством инструментария БД Ро81§ге8рЬ [5, 6], рассматриваемой как альтернатива коммерческим продуктам при хранении естественно-научных данных. На ее основе создана и размещена в сети WEB-ори-ентированная БД ЭЛТЛ_М [7]. Содержимое БД включает пока ограниченный объем сведений по термодинамическим свойствам фуллеренов, их конденсированных фаз (фуллеритов) и нескольких видов частиц, образующихся при детонационном синтезе наноалмаза [2]. Основной целью была отработка принципов и технологии, включая возможности: 1) описания произвольных на-ноформ углерода; 2) хранения и распространения данных разной структуры и формата — численных, текстовых, графических, программных кодов и т.п.
ЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ДАННЫХ ПО СВОЙСТВАМ НАНОСТРУКТУР И НАНОМАТЕРИАЛОВ
В работах [4, 8, 9] показано, что для обширного множества соединений информацию по свойствам невозможно встроить в "жесткую" структуру данных: возникает необходимость варьировать идентификацию и номенклатуру характеристик в зависимости от разновидности объектов. Реализация этого требования легла в основу предложенной концепции и технологии построения теплофизических БД широкого профиля [8, 9]. Под этим термином понимается система, способная решать задачи хранения, обработки и распространения данных: для веществ и материалов произвольного состава и структуры, равно как и для атомно-молекулярных единиц (молекулы, кластеры, структуры типа УНТ и проч.); для представления свойств и характеристик при различном формате данных; для адекватного учета совокупности факторов, определяющих свойства (структура и конфигурация образца, технология изготовления, факторы влияния и т.п.). Отличительная черта БД широкого профиля — способность к настройке на произвольную предметную область с характерной для нее спецификой объектов, свойства которых должны быть представлены с достаточной полнотой и достоверностью. Их использование имеет целью преодолеть ограничения, присущие традиционным БД, среди которых ориентация на определенный класс веществ, однозначность их идентификации (по формуле или наименованию), фиксированные перечень свойств и логическая структура записи.
Для проектирования БД широкого профиля используется технология полуструктурированных данных (ПСД), определяемых как данные, логическая структура которых подвержена вариациям при переходе между разными записями [4, 10, 11]. Вариации проявляются в изменении номенклатуры идентификаторов и характеристик, а также типа и формата данных. Возможными причинами вариации структуры данных являются различия физических свойств веществ и классов, изменения в номенклатуре данных при смене физической модели, зависимость описания от диапазона параметров, различия в способах представления данных, расширение требований к идентификации соединения.
Переход к ПСД позволяет естественным путем учесть совокупность факторов, определяющих наряду с параметрами состояния свойства объекта (структуру и конфигурацию образца, технологию изготовления, факторы влияния, метастабиль-ность и т.п.); особенности свойств новых веществ и материалов; различия в свойствах объектов, проявляемые на макро- (вещество), микро- (атомы, молекулы, радикалы) и мезоуровнях (кластеры, на-
ноструктуры и т.п.). При разработке БД главная особенность структуры и схемы описания состоит в том, что она не может быть предугадана, т.е. априорная схема всегда заменяется апостериорной.
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ДАННЫХ ДЛЯ НАНОУГЛЕРОДА
Классификация и идентификация объектов.
Наиболее существенна грань, отделяющая собственно наноструктуры (кластеры, нанотрубки и т.п.) от наноматериалов, т.е. объектов макроскопической природы, чья структурная единица имеет размер менее 100 нм. Авторы [12] поэтому разделили нанообъекты на изолированные нанокла-стеры и нанокластерные системы, а множество кластеров — на шесть классов, ориентируясь только на метод синтеза: молекулярные, лиганд-ные кластеры и т.п. Более детальная классификация основывается на топологических признаках, когда за основу принимается число измерений K, протяженность вдоль которых достигает макроскопического масштаба [13]. Этот индекс может принимать четыре значения (K = 0,1,2,3). Значение K = 0 соответствует кластеру, а K = 3 — макроскопическому объекту, для которого приставка "нано" относится лишь к структурному элементу. Промежуточные значения K = 1,2 соответствуют одномерным и двумерным структурам, у которых макроскопический масштаб охватывает одно или два измерения (нанопроволока, пленка).
Также аттестуют элементы, формирующие наноструктуру, но соответствующий индекс здесь L = 0,1,2; исключается значение L = 3, относящееся к макроскопическим объектам. Класс объектов, сформированных из элементов одного типа, определяет "наноформула" вида KDL, а из элементов нескольких типов — KD{L, M, N}, при том что выполняется неравенство K > max{L,M,N..}. Например, кластеры An, образованные из химической формы A, попадают в класс 0D0, поскольку размерность K = 0 относится и к самому кластеру, и к структурному элементу A. Образованные из этого элемента нанопроволока или пленка относятся к классам, определяемым формулами 1D0, 2D0.
Наноформы углерода можно классифицировать также по гибридизации химической связи. Такая схема учитывает способность углерода принимать, наряду с основными (sp3 — алмаз, sp2 — графит и sp — карбин), смешанные типы гибридизации [14]. В этом случае структура задается либо наложением двух типов гибридизации (скажем, sp3 + sp2 для наноалмаза с примесью графита или аморфного углерода), либо заданием промежуточного типа гибридизации типа sp", где n — нецелый индекс в интервалах 1—2 или 2—3 (например,
Алмаз лонсдейлит
^Коллапс С2о, П/Г = ю
Карбино(полиино) алмазы
"Алмазо-
подобные" С28, П/Г = 3 фуллерены \с32, П/Г = 2
Фуллерены Гипотетические ^ ч А/Г-гибриды
'Аморфный" . _
углерод 1»с60' П/Г = 0-6
С70, П/Г = 0.5
Нанотрубки
Моно [N1 циклит
Графины
Слоисто цепочечный Графит углерод
Карбин
Рис. 1. Классификационная диаграмма аллотропных форм углерода [14].
для фуллерена С60 индекс п = 2.27). Классификационную схему хорошо представляет треугольная диаграмма (рис. 1), вершины которой отвечают целочисленной степени гибридизации. Вдоль линии Бр2—Бр3 располагаются формы с индексом п е [2,3], например фуллерены и УНТ, вдоль линии Бр1—Бр2 — наноформы с п е [1,2], к которым относятся моноциклы, являющиеся обычно зародышами при образовании УНТ, или слоисто-цепочечный углерод, построенный из высоконапряженных графитовых слоев. За
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.