Основные научные результаты 2013. Бимолекулярные кристаллы – перспективный путь получения высокоэнергетических материалов Лаборатории ИПХФ РАН: структурной. - презентация

1 Основные научные результаты 2013

2 Бимолекулярные кристаллы – перспективный путь получения высокоэнергетических материалов Лаборатории ИПХФ РАН: структурной химии, термической стабильности, кинетической калориметрии ФЦДТ «Союз», НПО «Технолог» Санкт-Петербург Получены высокоплотные бимолекулярные кристаллы CL-20 с производными азепина, оксепина и диазодинитропентаном плотности бимолекулярных кристаллов I II III IV V Теплоты взрыва (кДж/кг) БМК-V октоген TNAZ CL расч эксп Характерные для нитросоединений межмолекулярные контакты O-N-O....NO ÷ 2.95Å в БМК-V укорочены до 2.7 ÷ 2.8Å.. БМК-V CL-20:БНП=2:1 Теплота взрыва БМК-V превосходит три наиболее мощных в настоящее время взрывчатые вещества, а чувствительность на 30% ниже октогена. Межмолекулярные взаимодействия O-N-O....NO2 в кристаллах БМК оказывают существенное и определяющее влияние на их энергетические показатели.

3 Динамика многоквантовых (МК)когерентностей ЯМР в квазиодномерных спиновых цепочках Лаб. спиновой динамики и спинового компьютинга и лаб. ЯМР Доронин С.И., Васильев С.Г., Самойленко А.А., Фельдман Э.Б., Шумм Б.А. Многоквантовый (МК) ЯМР расширяет возможности ЯМР (пересчет числа спинов в примесных кластерах, информация о корреляционных функциях локальных магнитных полей на разных спинах, упрощение обычных спектров ЯМР и т.д.) Разработана теория МК спектроскопии ЯМР одномерных систем. Показано, что в приближении взаимодействий ближайших соседей МК спектр ЯМР состоит только из сигналов МК когерентностей нулевого и второго порядков. Для сравнения теории с экспериментальными данными: 1. Получены двумерные спектры ЯМР на монокристалле фтористого апатита кальция, содержащего уединенные цепочки ядер 19 F. 2. Разработан генератор сверхкоротких ВЧ импульсов, позволяющий получить ВЧ импульсы длительностью до 0,3 мкс. Теоретические значения интенсивностей МК когерентностей; J 0 (x)-ф-ция Бесселя нулевого порядка: Пунктирные линии – теория; точки – эксп. данные. G 0 ( ) G 2 ( )

4 Лабораторные взрывные кумулятивные генераторы плоского ударного сжатия для экспериментов по изучению свойств веществ при давлениях 0.2 – 1.2 ТПа 1 Терновой В.Я., 1 Николаев Д.Н., 2 Шутов А.В., 3 Жарков А.П., 3 Ким В.В. 1 Лаборатория экспериментальной теплофизики, 2 лаборатория вычислительной гидродинамики, 3 лаборатория уравнений состояния вещества (ОЭСВ) Создана серия одно- и двух- ступенчатых конических ударно-волновых генераторов, отличающихся геометрией системы инициирования детонации основного заряда. Измерена скорость ударной волны в сердечнике из органического стекла - от 14.6 до 26 км/с. Экспериментально подтвержден эффект критического угла инициирования маховского отражения. Испытанные генераторы позволяют изучить ударную сжимаемость материалов, аналогичных меди, до давлений 1,2 ТПа. D = 14.6 км/с D = 16.7 км/с D = 19.3 км/с D = 21.4 км/с D = 26.4 км/с Экспериментальные записи фоторегистратора Схема диагностики Профили давления D=26.4 км/с D=21.4 км/с D=16.7 км/с D=14.6 км/с Скоростной фото- регистратор PMMA Временная развертка Зеркало Диаметр диска 16мм Система многоточечного инициирования

5 Институт физики твердого тела РАН Режим с обострением в кинетике поляритонного конденсата В рамках теории на основе уравнения Гросса-Питаевского предсказано, что упругое параметрическое рассеяние может приводить к накоплению энергии поляритонного конденсата в условиях резонансной и когерентной оптической накачки. Состояние конденсата эволюционирует в режиме с обострением: медленное нарастание интенсивности, возникающее в точке порога рассеяния, за конечное время сменяется взрывообразным ростом и переходом на верхнюю ветвь устойчивости. Таким образом, открыт новый и существенно нелинейный механизм накопления энергии квантового резонатора с сильной экситон-фотонной связью. Этот механизм проявляется при фотовозбуждении со сравнительно большой отстройкой частоты накачки от поляритонного уровня. При этом амплитуда накачки слабо влияет на конечную амплитуду отклика резонатора, однако она определяет «время обострения», проходящее после «включения» накачки с данной амплитудой до начала быстрого усиления поля; это время может изменяться в очень широких пределах от нескольких времен жизни поляритона (при интенсивной накачке) до макроскопических величин (вблизи порога рассеяния). Приведенный рисунок иллюстрирует эффект «отложенного» во времени перехода между ветвями устойчивости бистабильного поляритонного конденсата. Микрорезо- натор возбуждается в направлении нормали к поверхности на 0.5 мэВ выше поляритонного уровня при ширине резонанса 0.04 мэВ; время жизни поляритона составляет 16 пс. Мощность накачки на 10% превосходит порог рассеяния, но в 3 раза меньше, чем порог для перехода между ветвями устойчивости в одномодовой системе (без рассеяния). Сверху изображена интенсивность поля в резонаторе в зависимости от времени и планарной проекции волнового вектора (k = 0 соответ- ствует возбуждаемой моде); внизу слева – интенсивности накачки (пунктирная линия) и возбуждаемой моды (сплошная линия), а справа – суммарная интенсив- ность рассеянных состояний в зависимости от времени. Медленное накопление энергии рассеянных мод, происходящее в течение 600 пс при строго постоянной внешней накачке, приводит в итоге к катастрофическому усилению поля в самой фотовозбуждаемой моде. Конечная интенсивность отклика лишь на 10% меньше той, которая могла бы быть достигнута без задержки во времени при накачке со втрое большей мощностью. Описанный эффект опосредует механизмы неравновесных переходов и, в частности, явления быстрой спиновой конверсии поляритонных систем в условиях резонансно-оптического возбуждения; он должен приниматься во внимание при разработке оптических переключателей и логических элементов на основе микрорезонаторов с сильной экситон-фотонной связью. Лаборатория неравновесных электронных процессов, член-корр. РАН В.Д.Кулаковский

6 Институт физики твердого тела РАН Физическое материаловедение. Синтез трехслойного графена однородной толщины Продемонстрирована возможность синтеза трехслойного графена однородной толщины на тонких пленках кубического карбида кремния SiC(001), выращенных на пластинах Si(001) миллиметрового размера. С помощью сканирующей туннельной микроскопии и электронной спектроскопии показано, что трехслойное графеновое покрытие на SiC(001) состоит из упорядоченной системы доменов, с границами раздела, ориентированными вдоль направлений [110] и [1-10]. Показано, что отдельные домены обладают свойствами и электронным спектром, характерными для монослойного графена. a b c Рис.1. (a,b) СТМ-изображения графена на 3C-SiC(001) (c) дисперсия π-электронов в направлении ГК зоны Бриллюэна, измеренная с помощью ARPES. Ранее нами была показана возможность синтезировать на поверхности тонких (микронной толщины) монокристаллических пленок кубического карбида кремния, выращенных на стандартных пластинах Si(001) большого диаметра (> 300mm в диаметре). Такие пластины SiC(001)/Si(001) являются дешевыми и коммерчески доступными, поэтому синтез графена на них является существенным шагом на пути технологического применения этого материала и массового производства графена для электроники. В 2013 году детально исследована атомная и электронная структура графена, синтезированного на поверхности SiC(001). Полученные данные показали, что можно синтезировать непрерывное покрытие графена однородной толщины в диапазоне от 1 до 10 моноатомных слоев на поверхностях SiC (001) миллиметрового размера. Показано, что графеновое покрытие состоит из нескольких монослоев, обладающих атомной структурой (Рис. 1(а,b)) и электронным спектром (Рис. 1(с)) однослойного изолированного графена. ARPES исследования демонстрируют линейный спектр с точкой Дирака, близкой к уровню Ферми. В ходе исследований системы графен/SiC(001) показана возможность достижения пикометрового латерального разре- шения (Рис. 1(b)), позволяющего визуализиро- вать искажения решетки графена пикометрового масштаба в СТМ-экспериментах при комнатной температуре.

7 Институт физики твердого тела РАН Физическое материаловедение. Массивы углеродных нанотрубок на металлических подложках Разработано устройство для получения массивов углеродных нанотрубок (УНТ) на металлических подложках (патент РФ на изобретение , 2013) и предложены технологические методики получения слоев УНТ на подложках из нержавеющей стали, электротехнической стали и меди. Лаборатория физико-химических основ кристаллизации, зав. лаб., к.т.н. Н.Н.Колесников Полученные структуры применяются в качестве холодных катодов (ХК) в научной аппара- туре, используемой в исследованиях в области физики низких температур. Такие ХК сохраняют свою работоспособность вплоть до температур 4 К. В настоящее время данные холодные катоды не имеют аналогов.

8 Институт физики твердого тела РАН Физическое материаловедение. Наноструктурированные и нанопористые углеродные материалы, полученные инвертированием глобулярных структур SiO 2. В ИФТТ РАН темплатным способом синтезированы микро- и мезопористые углеродные материалы со значениями площадей удельной поверхности, близкими к предельно возможной для углеродных материалов (2500 м 2 /г), и объема пор до 2 см 3 /г. В качестве темплаты использована опаловая матрица, представляющая собой трёхмерную плотноупакованную систему монодисперсных шарообразных частиц (глобул) диоксида кремния. Взаимосвязанная система микро - и мезопор в инвертированном опале в сочетании с высокой площадью поверхности повышают как сорбционные, так и электрохимические выходные характеристики материала. На рис. 1 показана схема синтеза углеродных структур с решеткой инвертированного опала и фрагмент структуры, показывающий взаимосвязанную систему пор. Рис.1 Схема синтеза и срез грани (111) инвертированного С- опала. Углеродные наноструктуры с решеткой инвертированного опала (C- IOP), модифицированные тетрафенилметилен-дифосфин диоксидом, показали высокую сорбционную способность по отношению к ионам Th (IV), U (VI) и лантанидов (III) в растворах азотной кислоты в сравнении с известными сорбентами. Показано, что наноструктуры обладают более богатым спектром свойств, в том числе новыми функциональными свойствами, по сравнению с исследуемыми до сих пор материалами. Так, в структуре композитов обнаружены сферические частицы углерода, содержащие концентрические графитоподобные оболочки (onion-like), первые результаты исследований позволяют сделать предположение о наличии алмазоподобной фазы в композите SiC/C инвертированного опала.

9 Институт физики твердого тела РАН Физическое материаловедение. Жидкокристаллические фотонные кристаллы Приготовлены совершенные образцы жидкокристаллических фотонных кристаллов. В спектрах фазовой задержки (вращения плоскости поляризации света) обнаружены предсказанные теорией, но ранее не наблюдавшиеся особенности, связанные с маятниковыми колебаниями в спектрах дифракции. Показано, что оптические характеристики фотонных кристаллов, связанные с мнимой и действительной частью диэлектрической проницаемости, могут быть описаны на основе универсальных соотношений Крамерса- Кронига. Определена ширина фотонных запрещённых зон Δν, их температурная зависимость. Показано, что температурная зависимость относительной ширины фотонной запрещённой зоны Δν/ν0 может быть описана с использованием теории Ландау фазовых переходов первого рода. Спектры пропускания и фазовой задержки (вращения плоскости поляризации света) холестерического фотонного кристалла. Экспериментальный и рассчитанный спектры φ показаны символами и сплошной кривой.

10 Основные преимущества разработанного устройства: объединение в одном инструменте функций нескольких необходимых при проведении операции устройств; расширение функциональных возможностей нейрохирургического аспиратора введением дополнительной спектрометрической диагностикой ткани с применением флуорофоров, в том числе интерстициально, что позволяет объективно и оперативно выявлять наличие в ткани раковых клеток для оценки распространенности опухоли и правильности выбора объема резецируемой ткани; радикальность удаления внутримозговых опухолей, уменьшение травматичности операции и кровопотери, сокращение времени оперативного вмешательства за счет одновременного выполнения удаления, демаркации опухоли и остановки кровотечения. Сапфировый нейрохирургический зонд и способ удаления внутримозговых опухолей с его использованием разработаны совместно с сотрудниками нейрохирургического отделения МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского. На способ и устройство получен Патент РФ. Институт физики твердого тела РАН Фундаментальные основы лазерных технологий, включая обработку и модификацию материалов, оптическую информатику, связь, навигацию и медицину Сапфировый нейрохирургический скальпель В ИФТТ РАН разработан нейрохирургический сапфировый многоканальный зонд, открытые каналы зонда используются для аспирации, другие закрытые каналы содержат оптические волокна, по которым к рабочему концу инструмента передается коагулирующее лазерное излучение и диагностическое излучение. Диагностика с флуорофорами дает значительные преимущества при удалении опухолей мозга. Лаборатория профилированных кристаллов, д.т.н. В.Н.Курлов Излучение от источника лазерного излучения с помощью волокон доставляется к дистальному концу сапфирового зонда и, покидая зонд, поглощается в ткани, что приводит к ее коагуляции при достаточной мощности излучения. Длина волны излучения выбрана таким образом, чтобы не попадать в полосы поглощения диагностического флуоресцентного препарата для предотвращения его выгорания, а также, чтобы иметь оптимальную для нейрохирургии глубину проникновения и размер зоны лазерной коагуляции. Аспиратор с присоединенным к сапфировому зонду осуществляет удаление продуктов деструкции ткани мозга из зоны, диагностируемой как опухолевая ткань.

11 Методом Чохральского синтезирован новый перспективный пьезоэлектрический кристалл группы кальций галло-германата La 3 Ga 5.3 Ta 0.5 Al 0.2 O 14 (LGTA) для высоко- температурных сенсорных устройств. Исследовано структурное совершенство кристалла LGTA. Измерены независимые пьезоэлектрические константы, скорости распространения поверхностных акустических волн и углы сноса потока акустической энергии. 3'' кристалл LGTA, выращенный вдоль оси роста {110} Рентгеновская топограмма кристалла LGTA: структура полос роста Кривая качания X-среза ЛГТА, промодулированного 4 мкм поверхностной акустической волной Зависимости интенсивности дифракционных сателлитов от амплитуды поверхностной акустической волны Снос потока акустической энергии PVF по отношению к волновому вектору акустической волны ИПТМ РАН

12 На источнике синхротронного излучения 3-го поколения с пространственно-временной когерентностью излучения разработана и реализована возможность визуализации полей поверхностных акустических волн на поверхности кристаллов с помощью эффекта Тальбота. Схема двухкристального рентгеновского дифрактометра Акустически промодулированный Y-срез кристалла La 3 Ga 5 SiO 14. Отражение (100), длина поверхностной акустической волны Λ=10 мкм. Оптическая линия ID06, ESRF ИПТМ РАН

13 Проведены исследования особенностей эпитаксиального роста пленок широкозонных полупроводников на подложках моно- кристаллов лангасита La 3 Ga 5 SiO 14 (LGS). Определена кристалло- графическая ориентация пленки относительно подложки и условия роста, при которых достигается наиболее совершенная кристаллическая структура эпитаксиальной пленки. Микрофотография пленки GaN на поверхности кристалла LGS Рентгеновский дифракционный спектр системы пленка GaN / кристалл LGS 2 - карта распределения дифрагированной рентгеновской интенсивности: LGS(002), GaN(001) ИПТМ РАН

14 ИЭМ РАН. Главные достижения НИР 2013 г. На основе теоретического анализа экспериментальных данных по вязкости магматических расплавов в ряду основные - ультраосновные, с использованием структурно-химической модели прогноза вязкости магм [Persikov 2007; Персиков, Бухтияров, 2009], впервые установлено, что растворение воды ( мас. %) в кимберлитовых и базальтовых магмах не оказывает принципиального влияния на динамику измене- ния вязкости этих магм в процессах их зарождения, эволюции и подъема из мантии в земную кору (см. Рис. 1). Механизм этого нового и достаточно неожиданного явления, обусловлен существенно более значительным влиянием давления и объемного содержания кристал- лов и пузырей на вязкость кимберлитовых и базальтовых магм по сравнению с влиянием растворенной в них воды в условиях комплексного влияния многих параметров: химический состав расплавов; Р – литостатическое давление; Т – температура; Vкр. = ( ) и Vфл. = ( ) - объемное содержание, соответственно, кристаллов и пузырей флюидной фазы в расплавах; массовое содержание химически и физически растворенной в расплавах воды, С(ОН-) = ( мас. %) и С(Н2О) = ( мас. %); минимальное давление - Рmin, при мини- мальных значениях вязкости и энергии активации вязкого течения базальтовых и кимберлитовых магм (Исп.: д.г.-м.г.н. Персиков Э.С., к.г.-м.н. Бухтияров П.Г.) Кимберлитовая Земная трубка, дайка; Мантия кора базальтовый вулкан давление кбар: Рис. 1. Динамика изменения вязкости кимберлитовых и базальтовых магм в процессах их зарождения, эволюции и подъема из мантии в земную кору (погрешность расчетов по новой структурно-химической модели: ± 30 отн. %; слева на диаграмме: кимберлитовая магма, содержание воды в магме С(Н2О) = 0.5 мас. % - сплошная красная кривая, кимберлитовая магма, содержание воды в магме С(Н2О) = 8.0 мас. % - синий пунктир; справа на диаграмме: базальтовая магма, содержание воды в магме С(Н2О) = 0.5 мас. % - сплошная красная кривая, базальтовая магма, содержание воды в магме С(Н2О) = 8.0 мас. % - синий пунктир)..

15 1 – гранит-сиенитовые золотые руды, 2 - предполагаемый миграционный комплекс золота, входящий в ортоклаз, кристаллизующийся в агпаитовой обстановке. Линия 0-0,5 разделяет составы на агпаитовые и плюмазитовые (ниже линии), 3 – миналы биотита (Bi): флогопит-агпаитовый (I) и истонит-сидерофиллитовый (II). Агпаитовый эффект отделения от магм биотита или лампрофировых расплавов, показан двумя расходящимися стрелками, отвечающими гранитам и сиенитам

16 Выявлено, что петрохимический эффект ранней кристаллизации биотита или отделение от магмы лампрофировых расплавов придает им специфические свойства, определяющие их повышенное сродство к золоту и соответственно селективную экстракцию и сопровождающие магматизм трансмагматических флюидов. Эти свойства связаны с расширенной областью кристаллизации биотита (лампрофировый тренд). Эта особенность определяется влиянием факторов: содержанием во флюидах фтора, повышенным их давлением, водородной спецификой флюидов. Благодаря раннему отделению биотита кристаллизация полевых шпатов происходит в агпаитовой обстановке (при дефиците алюминия) с образованием щелочных рудных комплексов KAuSi 3 O 8 (вместо алюмокремневых), создавая высокое химическое сродство к золоту как устойчивому трехвалентному элементу и условия его концентрации и образования месторождений (ак. А.А.Маракушев)

17 Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН Установлена корреляция реакционных свойств наногетерогенных систем с их структурой. Показано, что образование метастабильных рентгеноаморфных или нанокристаллических фаз на этапе структурирования резко повышает реакционную способность образцов и обеспечивает аномально высокие скорости горения. Механокомпозит Ni/Al Напыленная многослойная пленка Ni/Al Лаб. динамики микрогетерогенных процессов Зав. д.ф.-м.н., профессор А.С. Рогачев

18 Ударопрочная нитридная керамика на основе СВС-композитов Si 3 N 4 ·MgO (Y 2 O 3 ) Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН Лаб. СВС Зав. д.х.н., профессор И.П. Боровинская Разработана СВС-технология порошков Si 3 N 4, модифицированных оксидами металлов MgO (Y 2 O 3 ). Горячепрессованная керамика, изготовленная из композитных порошков, в 2-2,5 раза превосходит керамику из порошковой смеси Si 3 N 4 - MgO (Y 2 O 3 ) по микротвердости и трещиностойкости. Микроструктура горячепрессованной керамики на основе СВС-композита Si 3 N 4 MgO Изделия конструкционного назначения из горячепрессованной керамики из СВС-композита характеризуются высокой ударной прочностью, повышенной износостойкостью и устойчивостью в агрессивных средах. (ИСМАН, ФГУП «Технология» г. Обнинск)

19 Создано опытное СВС-производство AlN, который используется: радиоэлектронной промышленностью (замена окиси бериллия для изготовления корпусов и подложек интегральных схем и др.); в производстве теплопроводящих клеев, компаундов; как исходный продукт для производства радиоактивного изотопа углерода С 14 (AlN C 14 ), который применяется в медицинской промышленности. Организации -потребители : ФГУП ГНИИХТЭОС; ООО НТФ «Полисил» (г. Москва); ООО НПП «Азурит (г. Калуга), ООО «Электрохимические технологии» (г. Пышма), ОАО «Русьинтерн» (г. Москва), ООО «Инженерно- технологический центр» (г. Красноярск), УРО ТН РФ (г. Екатеринбург), ООО «Пента», ФГУП «Полюс», ОАО завод Магнетол, ЗАО «ДжиЭмИнформ», ООО «МПГ-ПРО», ОАО «Плутон», ФГУП «ИРМ»,ОАО «Уралредмет» (г. В. Пышма) и др. В настоящее время ИСМАН является фактическим монополистом по производству порошков AlN (объем производства более 1,5 т/год). Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН Лаб. СВС Зав. д.х.н., профессор И.П. Боровинская

20 Победители конкурса года на получение стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам Капустин Роман Дмитриевич с работой "Разработка технологий получения неформованных огнеупорных материалов с повышенными эксплуатационными свойствами для футеровки тепловых агрегатов в машиностроении, металлургии и химической промышленности" ; Милосердов Павел Александрович с работой "Создание эффективных энергосберегающих технологий получения новых композиционных материалов, обладающих высокой твердостью, износо- и жаростойкостью" г. Династия Боровинских - Грачевых награждена Губернатором Московской области Знаком Губернатора Московской области «БЛАГОДАРЮ» награждается династия Боровинских - Грачевых Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук. Городской округ Черноголовка. Общий стаж работы в отрасли - 68 лет. Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН

21 Разработаны эффективные экстракционные системы для селективного выделения медицинского изотопа 99 Мо из облученного уранового топлива на основе новых комплексообразующих соединений – фосфорилсодержащих лигандов Одной из самых перспективных областей использования радиоактивных изотопов является ядерная медицина, в которой в наибольшей степени применяется изотоп 99 Tc, главным образом, для диагностики онкологических заболеваний. 99 Tc образуется путем самопроизвольного распада изотопа 99 Мо, основное количество которого производится из облученного уранового топлива с применением экстракционно- хроматографических сорбционных материалов. Элемент Al 0,029 0,0070,065 Ba 0,004 0,9620,000 Ca 0,151 0,1260,000 Ce 0,026 0,0011,433 Co 0,002 0,0010,000 Cr 0,004 0,0020,000 Fe 0,006 0,0040,002 МnМn 0,004 0,001 Mo 0,246 0,0030,006 Na 0,037 0,0420,004 Nd 0,047 0,0011,913 Ni 0,006 0,0010,000 Sr 0,003 1,0770,003 Y 0,399 0,0010,484 Zr 0,006 0,0040,202 1.Разработаны технологически доступные методы синтеза новых органических комплексо- образующих соединений. 2. На основе наиболее перспективных лигандов разработаны и исследованы новые жидкофазные и твердофазные экстракционные системы. 3. Практическим результатом стало создание ряда экстрак-ционно- хроматографических материалов, селективно извлекающих Мо и по своим рабочим характеристикам (емкость, эффективность разделения, устойчивость к старению и радиации и др.) превосходящие существующие аналоги.

22 Практически завершены доклинические испытания – нового цикломеморина – нового потенциального лекарственного средства для лечения болезни Альцгеймера., при его большей Цикломеморин, при его большей эффективности, в 50 раз менее токсичен, чем мемантин, являющийся препаратом 1 для лечения болезни Альцгеймера в современной медицинской практике. Доклинические испытания лекарственного средства на основе соединения OSPL-502 (цикломеморин)