научная статья по теме ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ФРАКТАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ФРАКТАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ»

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ ДЛЯ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Наносистемы: синтез, свойства, применение

CARBON NANOSTRUCTURES FOR RENEWABLE ENERGY

Nanosystems: synthesis, properties, and application

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ФРАКТАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ f

УДК 669.287 I

И. В. Золотухин , Ю. Е. Калинин , В. И. Логинова ^

Member of International Editorial Board £

с

Воронежский государственный технический университет J

Московский проспект, 14, Воронеж, Россия, 394026 £

Тел.: +7(0732) 46-66-47; факс: +7(0732) 46-32-77; e-mail: kalinin@ns1.vstu.ac.ru ^

* Воронежская государственная технологическая академия проспект Революции, 11, Воронеж, Россия, 394000 Тел.: +7(0732) 55-15-49; факс: +7(0732)53-26-30; e-mail: viva@vmail.ru

Solid-state fractal ctructures have been studied with the aim to develope information media of ulta-high capacity and materials having the property of absorbing electromagnetic radiation in wavelenghts range and values of thermoelectromotive force on their basis. Data regarding to the methods of production of fractal structures from gaseous, liquid and solid phase are presented. Methods for measuring fractal dimension and also mechanical and physical properties due to fractal structure have been considered. A proposal on application of fractal structures to store molecular hydrogen, production of new types of microlasers, intelligent technologies and structures on implementation of dissipative processes in the open system have been discussed.

Введение

Теоретическое обоснование концепции твердотельной фрактальной среды впервые предложено в 1993 г. [1], хотя до этого времени было получено значительное количество твердотельных структур, имеющих фрактальную структуру (аэрогели, пленки металлов, полученные в неравновесных условиях, пористые структуры полупроводников и диэлектриков и т. д.). Анализ фрактальных твердотельных структур сводился к сравнению характерных свойств геометрических детерминированных фрактальных структур (масштабной инвариантности, подобия, структурной иерархии и т. д.) со структурными образованиями в твердых телах. Твердые тела считались фрактальными (что совершенно справедливо), если по ряду признаков структура геометрических фракталов была в какой-то степени подобна структуре твердого тела.

В последние годы XX и в начале XXI столетия возрос интерес к твердотельным средам с фрактальной структурой [2], хотя основная определяемая характеристика — фрактальная размерность — никак не связывалась с их физическими и химическими свойствами. Чем вызван

такой интерес? Прежде всего тем, что фрактальные твердотельные среды, сформированные в условиях диссипации энергии в открытых системах и являющиеся самоорганизованными структурами, приобретают целый ряд необычных свойств, которые невозможно получить при традиционных способах формирования структурного состояния вещества. Движущей силой самоорганизации в диссипативных системах является стремление вещества в открытых системах к снижению энтропии [3]. Во многих работах

показано, что диссипативные твердотельные *

<

структуры, самоорганизующиеся в открытых £ системах, являются фрактальными. Характер- ^ ные признаки фрактальных структур — самоподобие, масштабная инвариантность, структур- | ная иерархия, пористость нанометрового масш- й таба и фрактальная размерность. | В настоящее время нет сомнений в том, что 6 твердотельные фрактальные системы представ- | ляют собой новый тип структурного состояния £ вещества, характеризующегося кардинальными ° изменениями многих физических свойств. Фрак- 0 тальные твердотельные системы образуются из атомов или молекул, а также наноразмерных (2—8 нм) частиц или кластеров. Сами по себе

Статья поступила в редакцию 03.10.2005. The article has entered in publishing office 03.10.2005.

такие частицы являются объектами пристального внимания со стороны исследователей, поскольку при переходе в наноразмерное состояние у них изменяется плотность электронных состояний, поверхностная энергия, повышается кинетическая энергия носителей заряда, возникают фиксированные зарядовые состояния (квантовые точки) [4]. В результате перехода ферромагнетиков в наноструктурное состояние происходит значительное изменение магнитных свойств, обусловленных магнитным обменным расщеплением. Вследствие увеличения поверхностной энергии уменьшается расстояние между атомами и атомный объем, что приводит к усилению кулоновского и обменного взаимодействия [5]. Сформированные из таких частиц или кластеров фрактальные микро- или макроскопические структуры весьма интересны как для изучения фундаментальных свойств, так и для использования в новых технологиях при создании информационных сред.

Анализ показал, что сверхбольшая информационная емкость твердотельной среды может быть обеспечена в том случае, когда структура среды является фрактальной [6]. Фрактальность среды снимает электронное и магнитное вырождение, так как каждый элемент фрактальной структуры имеет свои собственные электронные и магнитные характеристики, несмотря на то, что эти элементы связаны между собой. Фрактальная структура, сформированная из проводящих и непроводящих магнитных кластеров, увеличивает возможность создания более емкой информационной среды по сравнению с ныне существующими искусственно созданными средами. Экспериментально показано, что фрактал ь-ная структура, сформированная из наночастиц металлов [7] и полупроводников (карбид кремния) [8], способна поглощать электромагнитное излучение в световом диапазоне длин волн. Считается, что использование фрактальных сред позволит решить проблему полного поглощения веществом электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн.

Имеются данные о том, что фрактальные структуры, образованные из наночастиц углерода, усиливают автоэлектронную эмиссию [9]. Экспериментально показано, что термоэдс фрактальной структуры углерода, полученной при распылении графита в электронной плазме, увеличивается почти на порядок по сравнению с графитом [10].

Во многих случаях фрактальная структура твердого тела обеспечивает более высокие удельные прочностные характеристики, низкую теплопроводность и звукопроницаемость, что продемонстрировано на примере фрактальных аэрогелей ВЮ2 [11].

Изложенное свидетельствует о необходимости проведения фундаментальных исследований по более детальному изучению механизмов формирования твердотельных фрактальных структур.

Фрактальная структура твердых тел формируется при определенных физико-химических условиях, которые до конца не поняты и почти не изучены. Поэтому получение веществ, имеющих фрактальную структуру, часто является нетривиальной экспериментальной задачей, хотя уже накоплено достаточно большое количество фактов, позволяющих уверенно ее решить. Проанализируем имеющиеся экспериментальные работы.

Фрактальность твердотельной среды

Геометрическое и математическое понятие фрактальности изложено в работах [12, 13] и др., однако четкого определения даже детерминированных геометрических фрактальных структур до сих пор не существует. Каковы признаки, указывающие на фрактальность структуры твердого тела? Что является кирпичиком для построения фрактальной структуры вещества? Какие диагностические методы можно использовать, чтобы определить фрактальность структуры? На эти и другие вопросы нет четкого ответа.

Анализ исследований, проведенных в начале 90-х годов прошлого века, показывает, что фрактальная структура может быть получена из атомов или молекул вещества, образующих частицы или кластеры с кристаллической или аморфной структурой и содержащие 102—105 атомов. Частицы или кластеры вещества формируют объемные образования с характерными признаками фрактальности: структурной иерархией, масштабной инвариантностью, пористостью, низкими значениями удельной плотности и высокими значениями удельной внутренней поверхности. Приведенные качественные характеристики твердотельных фрактальных структур наиболее отчетливо проявляются на примере углеродного депозита, полученного распылением графита в плазме электрической дуги при больших плотностях тока (1000-1200 А/см2) [14, 15]. Изучение начальных стадий формирования углеродных депозитов показало, что их структура состоит из шароподобных углеродных кластеров размером 6-8 нм, которые образуют сплошные капсулы длиной до 5-10 диаметров. Одна часть шароподобных кластеров имеет структуру аморфного углерода, а другая — многослойные сферические или имеющие форму многогранника образования, сходные по структуре с фуллеренами. Сплошные капсулы вероятнее всего являются короткими многослойными нанотрубками с закрытыми концами. Шароподобные кластеры и сплошные капсулы служат основными материалами для образования агрегатов размером 0,3-0,6 мкм, которые, в свою очередь, являются основой для формирования «облакоподобных» образований размером 4-8 мкм, из которых формируется структура, напоминающая «кочан цветной капусты» (рис. 1) [16]. Аналогичную структуру поверхности имеют пылевые частицы, полученные в гелиевой плазме с графитовыми электродами

мов вещества (Ее, Zn, Со и др.) формируются частицы со средним размером 3—4 нм, а затем при последующем охлаждении из них образуются фрактальные агрегаты. Подробно рассмотрено в [18].

Масса М и плотность р фрактальной структуры выражается в виде соотношений

а б

Рис. 1. Структура поверхности углеродного депозита: а — х580; б — х5300.

при высокочастотном разряде 15 МГц и давлении 1 Торр [17].

Качественно процесс формирования фрактальной структуры углеродного депозита можно представить следующим образом. При распылении графита атомы углерода в электронной плазме приобретают заряд, обеспечивающий формирование кластеров, размеры которых ограничены кулоновской блокадой. Из кластеров углерода формируются фрактальные агрегаты малого размера и округлой формы, которые затем слипаются по механизму образования пылевых частиц [17] в самоорганизованной открытой системе с большим темпом диссипации энергии.

Анализ структуры углеродного депозита показывает, что:

1) структура формируется в результате самоорганизованного процесса;

2) структура самоподоб

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.

Показать целиком