Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
§ 1.12. Кластерная модель молекулярных наноструктур
Появление современных электронных микроскопов: туннельного (АТМ), а затем и атомно-силового (АСМ), в котором используется межмолекулярное взаимодействие для анализа структуры поверхностей материалов, позволило «заглянуть» в «наномир» белков, крупных макромолекул, наноструктур металлов, окислов, органических и комплексных соединений.
Наноструктуры представляют собой крупные молекулярные образования, состоящие из сотен и тысяч атомов или молекул. Размеры наноструктур составляют величину порядка 10–9 м (от единиц до нескольких сотен нанометров).
Сложность проектирования конкретных схем в наноэлектронике и их сборки на технологическом наноуровне связана с отсутствием сколько-нибудь полного банка структур не только реальных, но и модельных нанокластеров (за исключением белков и нуклеиновых кислот, некоторых металлов, графена и углеродных нанотрубок, рис. 24а).
Рис. 24. (а) Наноуглеродные структуры
Результаты применения авторами пособия методики моделирования отдельных нанокластеров на основе информации базы данных рентгеновского структурного анализа (РСА) и процедуры кластеризации, подробно изложенной в §3.6, позволили рассчитать структуры отдельных нанокластеров, которые представлены в табл. 4.
Таблица 4
Нанокластеры, рассчитанные на основе информации баз данных РСА
|
№ п/п |
Химсостав (формульные единицы); пространственная группа симметрии |
Кластерная геометрическая модель |
Последовательность чисел заполнения k-й поверхности кластера «магические числа») |
Дата публикации |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
1 |
Галлит (поваренная соль) 1. (NaCl)2 – димер, 2. (NaCl) – диполь, пр. гр. Fm3m |
1 2 |
Куб (гексаэдр) 6k2 + 2; Октаэдр 4k2 + 2 (РСА) |
2009 |
|
3 |
Теллурид свинца PвTе, (PвTе)2, пр. гр. Fm3m |
|
Куб (гексаэдр) 6k2 + 2, или кубооктаэдр 10k2 + 2 (РСА.ЭМ) |
2013 |
|
4 |
1. Металлическая медь Cu, Ag и др. пр. гр. Fm3m, 2. Магний Mg2 пр. гр. P6(3)mmc |
1 2 |
1. Кубооктаэдр 10k2 + 2. 2. Гексагональная призма 18k2 + 2 (РСА) |
2014 |
|
5 |
Сера молекулярная S8, пр.гр. P2/c |
|
«Скошенная» дипирамида (РСА) 14k2 – 2 |
2011 |
|
6 |
Окись алюминия, пр. гр. |
|
«Скрученная» тригональная призма (РСА) 4k2 + 2 |
2013 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
7 |
Цинк, магний, кадмий, окись цинка, пр.гр. P6(3)mmc |
|
Либо «скошенная» гексагональная дипирамида (РСА, ЭМ): 1, 12, 44, 96, 170, 264, ... либо икосаэдр либо кубооктаэдр (масс-спектр Mg): 10k2 + 2 |
2014 |
|
8 |
Антрацен, пр.гр. P21/a |
|
Вытянутый кубооктаэдр: 10k2 + 2 (РСА) |
2009 |
|
9 |
Декакарбамид нитрата кобальта, пр. гр. |
|
Искаженная гексагональная дипирамида 6k2 + 2 (РСА) |
2009 |
|
10 |
Тетракарбамид нитрата кобальта, пр. гр. Р21/с |
|
4k2 + 2:6,38,102,. 8k2 + 2:10,34,74, (РСА) |
2009 |
|
11 |
Йод молекулярный I2, пр. гр. Bmab |
|
Вытянутый кубооктаэдр 10k2 + 2 (РСА) |
2014 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
12 |
Индий, пр.гр. P4(2)nnm |
|
Вытянутый кубооктаэдр 10k2 + 2 (РСА) |
2014 |
|
13 |
Натрий, пр.гр. Im3m |
|
Ромбододекаэдр или октаэдр 12k2 + 2 (РСА) |
2014 |
К сожалению, прямых экспериментальных доказательств существования всех нанокластеров, модели которых приведены в табл. 4, пока существует мало. В качестве одного из примеров приведем фотографию реального эксперимента по веществу оксида цинка, полученную методами электронной микроскопии (рис. 24б) и модельное изображение нанополикристалла (рис. 24в), вычисленное по результатам компьютерного эксперимента в программе моделирования многоцентровой задачи зарождения кластеров.
Рис. 24. (б) Нанокластеры оксида цинка (размерами около 500нм) в электронной микроскопии [Zhong Lin Wang // J. Phys. Condens. Matter. 2004, 16, R829-R858.] и (в) рассчитанные в программе моделирования многоцентровой задачи зарождения кластеров ZnO
В международных банках структурных данных накоплено более полумиллиона кристаллических структур и ни одна из них не миновала стадии кристаллического «зародыша», который фактически является нанокластером. Каким образом из хаотического жидкого или газообразного состояния, происходит «сборка» многогранника роста, почему из сплавов углеродных материалов рождается алмаз в форме октаэдра, а из молекул поваренной соли вырастает кубик, детально не известно.
Квантовомеханическое моделирование процесса роста кластеров из-за сложности расчетов пока не дает необходимого результата. Вопрос, часто задаваемый на научных конференциях еще в средине прошлого века вице-президентом Международного Союза кристаллографов Н.В. Беловым: «откуда 701-й атом «знает» куда он должен попасть, чтобы появилась кристаллическая решетка, и вырос красивый кристалл?», детально остается открытым. Очевидно, в природе, порядок и статистический хаос согласованы друг с другом. В системе, случайность (статистика) накладывается на связи, определяемые взаимодействием. Для понимания этих процессов необходимо исследовать все «виртуальные» состояния, определяемые, в частности, уравнениями квантовой механики, которые постепенно, статистически «заполняются» частицами с учетом их взаимодействия. Заполнение ведется, таким образом, в некотором виртуальном пространстве состояний, которое в молекулярной физике было названо Больцманом «фазовым пространством» (Часть II).