Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ВОЗМОЖНЫХ СТРУКТУРНЫХ СОСТОЯНИЙ ИЗ НАНОРАЗМЕРНЫХ КОМПОНЕНТ С УЧЕТОМ СВОЙСТВ МНОЖЕСТВА СООТВЕТСТВУЮЩИХ НАНООБЪЕКТОВ

Иванов В.В. 1
1 ФГУП ОКТБ «ОРИОН»
Обсуждаются принципы формирования возможных структурных состояний из наноразмерных компонент с учетом свойств множества соответствующих нанообъектов.
структурное состояние
модуль
наночастица
наноструктура
1. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2013. – №11. – С.61-65.
2. Иванов В.В. // Соврем. наукоемкие технологии. 2013. – №.9 – С.89-93.
3. Иванов В.В. // Междунар. науч.-иссл. журнал, 2013. – №7-1. – С.26-28.
4. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – №.4. – С.105-108.
5. Иванов В.В. // Соврем. наукоемкие технологии. 2013. №.5. С.29-31.
6. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2013. №8. С.136-137.
7. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2013. №8. С.134-135.
8. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2013. – №8. – С.129-130.
9. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В., и др. // Соврем. наукоемкие технологии. 2013.- №.10. – С.158-160.
10. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В., и др. // Соврем. наукоемкие технологии. 2013.- №.10. – С.161-163.
11. Иванов В.В. // Междунар. науч.-иссл. журнал, 2013. – №7-1. – С.28-30.
12. Иванов В.В. // Междунар. науч.-иссл. журнал, 2013. – №7-1. – С.31-33.
13. Иванов В.В. // Междунар. науч.-иссл. журнал, 2013. – №7-1. – С.30-31.
14. Иванов В.В. // Междунар. науч.-иссл. журнал, 2013. – №7-1. – С.33-35.
15. Иванов В.В. // Междунар. науч.-иссл. журнал, 2013. -№8-1. – С.25-27.
16. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В., и др. // Соврем. наукоемкие технологии. 2013.- №.9. – С.86-88.
17. Иванов В.В. // Междунар. журнал прикладных и фундаментальных исследований, 2013. №10(3). – С.493-494.
18. Иванов В.В., Таланов В.М. // Успехи соврем. естествознания, 2012. – №3. – С.56-57.
19. Иванов В.В. // Междунар. науч.-иссл. журнал, 2013. – №7-1. – С.35-37.
20. Иванов В.В. Комбинаторное моделирование вероятных структур неорганических веществ. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. – 204с.
21. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Моделирование композиционных никель-фосфорных покрытий с антифрикционными свойствами. – Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион», 2008. – 112 с.
22. Щербаков И.Н., Иванов В.В., Логинов В.Т. и др. Химическое наноконструирование композицонных материалов и покрытий с антифрикционными свойствами. Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки», 2011. 132 с.
23. Иванов В.В. // Междунар. журнал прикладных и фундаментальных исследований, 2013. №10(3). – С.493.
24. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В., и др. // Соврем. наукоемкие технологии. 2013. – №.4. – С.26-29.
25. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В., и др. // Соврем. наукоемкие технологии. 2013. – №.4. – С.30-33.
26. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В., и др. // Соврем. наукоемкие технологии. 2013.- №.5. – С.25-28.
27. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2013. – №7. – С.82-84.
28. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2013. – №.7 – С.85-87.
29. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2013. – №.8 – С.131-133.
30. Таланов В.М., Ерейская Г.П., Юзюк Ю.И. Введение в химию и физику наноструктур и наноструктурированных материалов – М.: Изд-во «Академия естествознания», 2008. – 389 с.
31. Иванов В.В., Таланов В.М., Гусаров В.В. // Наносистемы: Физика, Химия, Математика, 2011. Т.2. № 3. С.121-134.
32. Иванов В.В., Таланов В.М. // Наносистемы: Физика, Химия, Математика, 2010. Т.1. №1. С.72-107.
33. Урусов В.С. Теоретическая кристаллохимия – М.: МГУ, 1987. – 276 с.
34. Уэллс А. Структурная неорганическая химия. В 3-х томах. – М.: Мир, 1987/88, Т.1. – 408 с.; Т.2. – 696 с.; Т.3. – 564 с.
35. Урусов В.С. Энергетическая кристаллохимия – М.: Наука, 1975. – 336 с.
36. Бурбаки Н. Теория множеств. – М.: Мир. 1965. – 455 с.
37. Иванов В.В., Арзуманова А.В., Иванов А.В., Балакай В.И. // Журн. прикладной химии, 2006. – Т.79. – Вып.4. – С. 619-621.
38. Кукоз Ф.И., Балакай В.И., Иванов В.В., и др. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – Спецвыпуск. – 2007. – С.94-99.
39. Кукоз Ф.И., Иванов В.В., Балакай В.И., и др. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2007. – № 5. – С. 56-58.
40. Кукоз Ф.И., Иванов В.В., Балакай В.И., Христофориди М.П. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2008. – № 4. – С. 123-128.
41. Иванов В.В., Курнакова Н.Ю., Арзуманова А.В., и др. // Журн. прикладной химии, 2008. – Т.81. – Вып. 12. – С.2059-2061.
42. Иванов В.В., Арзуманова А.В., Балакай И.В., Балакай В.И. // Журн. прикладной химии, 2009. – Т.82. – Вып. 5. – С.797-802.
43. Бырылов И.Ф., Иванов В.В. // Междунар. журнал прикладных и фундаментальных исследований, 2013. №11(2). – С.136-137.
44. Бырылов И.Ф., Иванов В.В. // Междунар. журнал прикладных и фундаментальных исследований, 2013. №11(2). – С.137-138.
45. Иванов В.В., Щербаков И.Н. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2011. – №3. – С.54-57.
46. Иванов В.В., Щербаков И.Н. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2011. – №5. – С.47-50.
47. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В. и др. // Соврем. наукоемкие технологии. 2013.- №.5. – С.21-24.
48. Иванов В.В., Беспалова Ж.И., Смирницкая И.В., и др. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. – 2008. – Спецвыпуск: Проблемы электрохимии и экологии – С. 52-56.
49. Беспалова Ж.И., Иванов В.В., Смирницкая И.В., и др. // Журн. прикладной химии, 2010. – Т.83. – Вып.2. – С.244-248.
50. Беспалова Ж.И., Иванов В.В., Смирницкая И.В., и др. // Журн. прикладной химии, 2010. – Т.83. – Вып.5. – С.779-782.

Структурные состояния в ячейке структурированного 3D пространства определяются возможными состояниями транзитивной области в ее объеме [1-4], которые могут быть обусловлены как кристаллическими компонентами r модулярной структуры, так и ее возможными наноразмерными n и фрактальными f компонентами [4-17]. Кристаллическая компонента r модулярной структуры определяется с помощью дискретной {ti}или непрерывной группы трансляций {τi} (i = 1, 2, 3) [18-20]. Фрактальная компонента f структуры определяется как i-модулярная гибридная структура с помощью соответствующих своих генераторов (точечных, линейчатых, поверхностных или их возможных комбинаций) [11-15, 17-22]. Наноразмерная компонента n структуры определяется с помощью дискретной группы трансляций {ti} нанообъектов (нульмерных структурных фрагментов, наночастиц) [23-29].

Проанализируем вероятные структурные состояния детерминистических модулярных структур с наноразмерной компонентой в 3D пространстве. С учетом характера элементов группы трансляций могут быть получены основные классы вероятных структурных состояний локальной транзитивной области структурированного 3D пространства [4] (таблица). Примечание к таблице: r, n и f – кристаллическая, наноразмерная и фрактальная компоненты структурного состояния; t и t – дискретная и непрерывная трансляции как виды реализации генератора кристаллической компоненты.

Основные классы структурных состояний локальной транзитивной области структурированного 3D пространства с наноразмерной компонентой

Структурное состояние

Классы структурных состояний

Условное обозначение класса

Разновидности

Наименование

(r1 r2 n3)

(t1 t2 n3)

Точечный наноразмерный

PN

(τ1 t2 n3)

Точечно-линейчатые наноразмерные

PLN

(τ1 τ2 n3)

Планарный наноразмерный

PlN

(r1 f2 n3)

(t1 f2 n3)

Точечный нанофрактальный

PNF

(τ1 f2 n3)

Линейчатый нанофрактальный

LNF

(r1 n2 n3)

(t1 n2 n3)

Точечный наноразмерный

PNN

(τ1 n2 n3)

Линейчатый наноразмерный

LNN

(f1 f2 n3)

(f1 f2 n3)

Нанофрактальный гибридный

NFG

(f1 n2 n3)

(f1 n2 n3)

Наноразмерный фрактальный

NNF

(n1 n2 n3)

(n1 n2 n3)

Hаноразмерный

N

Некоторые принципы структурной организации нанообъектов, сформулированные в результате обобщения известного экспериментального материала, приведены в книге [30]: метрический принцип, принцип допустимости некристаллографических осей симметрии, принцип допустимости когерентного сопряжения неевклидовых наноструктур с живой материей, модулярный принцип строения наноструктур, принцип структурной иерархии, принцип структурной неоднородности сложноорганизованных наночастиц.

В [31, 32] с учетом принципа модулярного строения наноструктур рассмотрены вопросы выбора модуля для модулярного дизайна и алгоритм комбинаторного моделирования. В качестве структурного модуля предложены совокупности атомов, расположенные в вершинах полигонов. Полигоны являются одними из хорошо известных универсальных оптимумов в 2D пространстве. В 3D пространстве аналогичную роль выполняют полиэдры, грани которых представляют собой вышеперечисленные полигоны. Представители обоих видов универсальных оптимумов являются достаточно компактными образованиями. В структурной кристаллографии и структурной неорганической химии они известны давно как неизолированные фрагменты атомных сеток или полиэдрических слоев огромного множества кристаллических структур [33-35]. Методом комбинаторного модулярного дизайна сконструированы вероятные 1D однопериодические L{Pg}(T) и 2D дважды периодические наноструктуры (полностью заполненные P(Σ{Pg}) (T) и частично заполненные полигонные наноструктуры P(Σ{Pg}) (T)) из топологически идентичных полигонов и соответствующие им плоские C{Pg}(T) и объемные циклические C{P}(T) и винтовые S{P}(T) наноструктуры [20, 31, 32]. Информационные коды наноструктур представлены трехпозиционной символьной записью вида:

N (Σ{P}) (T).

На первой позиции (N) стоит символ, характеризующий разновидность наноструктуры, например: L (линейная), C (циклическая) или S (спиральная) – для одномерно-периодических наноструктур и их производных, P (плоская) или Cy (цилиндрическая) – для 2D дважды периодических наноструктур и их производных. Символами (Σ{P}) обозначена информация о геометрии N-гонов в определенной {P}-комбинации (полигонов {Pg} или полиэдров {Ph}), выполняющих в данной наноструктуре роль модуля. Последняя позиция – кристаллохимическая топология полигонов или полиэдров, образующих наноструктуру [31].

Обсудим основные принципы формирования структурных состояний из наноразмерных компонент с учетом свойств множества соответствующих нанообъектов [36]. Будем рассматривать наноразмерные объекты N (Σ{P}) (T) в геометрическом 3D пространстве.

Рассмотрим структурные состояния с максимальным количеством наноразмерных компонент (n1 n2 n3) класса N (табл. 1). В общем случае формирование наноструктурного состояния в ячейке с реперами (a,b,c) ортогонального 3D пространства может быть сложным. Для формирования простой наноструктуры в пространственной ячейке в форме параллелепипеда необходимо, чтобы для нанообъектов выполнялись следующие условия:

1. Будем считать, что состояния с наноразмерными компонентами реализуются для идентичных нанообъектов в каждой ячейке структурированного 3D пространства. Периоды идентичности в трех независимых направлениях совпадают с реперами пространственного параллелепипеда, т.е. Ii = i (где i = a, b, c). Тогда очевидно, что

1) множество {Ni} нанообъектов вида N (Σ{P}) (T) в ячейках такое, что дополнение к нему есть пустое множество, т.е.

{Ni}’ =∅, ∅’ = {Ni}

и обладает свойством инволютивности:

({Ni}’)’ = {Ni};

2) для множества {Ni} выполняются законы де Моргана:

(∩{Ni})’ = ∪{Ni}’,

(∪{Ni})’ = ∩{Ni}’;

3) на основании высказываний 1) и 2) – множество нанообъектов Ni есть покрытие множества {Ni}.

Все эти условия относятся к нанообъектам N (Σ{P}) (T) одной пространственной ячейки, характеризующей элементарную ячейку детерминистической наноструктуры.

2. Если состояния с наноразмерными компонентами реализуются для двух сортов нанообъектов вида N (Σ{P}) (T) в каждой ячейке структурированного 3D пространства. Периоды идентичности в трех независимых направлениях могут не совпадать с реперами пространственного параллелепипеда, т.е. Ii = i (где i = a, b, c). Элементарная ячейка детерминистической наноструктуры содержит две и более пространственные ячейки. Тогда два множества нанообъектов {Ni,1} и {Ni,2} обладают следующими свойствами:

1) являются дополнениями друг для друга, т.е.

{Ni,1}’ = {Ni,2}, {Ni,2}’ = {Ni,1}

и обладают свойствами инволютивности:

({Ni,1}’)’ = {Ni,1}, ({Ni,2}’)’ = {Ni,2}

и коммутативности:

{Ni,1} ∩ {Ni,2} = {Ni,2} ∩ {Ni,1},

{Ni,1} ∪ {Ni,2} = {Ni,2} ∪ {Ni,1};

2) для них выполняются законы де Моргана:

(∩{Ni,1})’ = ∪{Ni,1}’ = ∪{Ni,2},

(∩{Ni,2})’ = ∪{Ni,1},

(∪{Ni,1})’ = ∩{Ni,1}’ = ∩{Ni,2},

(∪{Ni,2})’ = ∩{Ni,1};

3) они подчиняются модулярному и дистрибутивному закону:

{Ni,1} ∩ (∪ Ni,2}) = ∪({Ni,1} ∩ {Ni,2}),

{Ni,1}∪ (∩{Ni,2}) = ∩ ({Ni,1} ∪ Ni,2});

4) они являются покрытием множества {Ni}, если

{Ni} = {Ni,1} ∪ {Ni,2},

а покрытие множества {Ni} есть его разбиение, если

{Ni,1} ∩ {Nk,1} = ∅ и {Ni,1} ∩ {Nk,1} = ∅, при i≠ k.

3. В случае обобщения на j сортов нанообъектов вида N (Σ{P}) (T) в каждой ячейке структурированного 3D пространства имеем j множеств нанообъектов {Ni,j}, которые

1) являются дополнениями друг для друга, т.е.

{Ni,k}’ = {Ni,j}, {Ni,j}’ = {Ni,k}, для каждого i при k ≠ j;

2) удовлетворяют законам де Моргана:

(∩{Ni,k})’ = ∪{Ni,k}’ = ∪{Ni,j},

(∩{Ni,j})’ = ∪{Ni,k},

(∪{Ni,k})’ = ∩{Ni,k}’ = ∩{Ni,j},

(∪{Ni,j})’ = ∩{Ni,k} для каждого i при k ≠j;

3) подчиняются дистрибутивному закону:

∩i(∪j {Ni,j}) = ∪j(∩i {Ni,j}),

4) они являются покрытием множества {Ni,j}, если

{Ni,j} = {Ni,1} ∪ {Ni,2} ∪…∪ {Ni,j},

а покрытие множества {Ni,j} есть его разбиение, если объединение ∪{Ni,j} дизъюнктное, т.е. {Ni,j} ∩ {Ni,k} = ∅ для каждого i при k ≠ j.

На основании изложенного выше сформулируем следующие принципы формирования наноразмерных состояний.

1. Принцип модулярного строения наноструктур: Любая наноструктура N (Σ{P})(T) может быть представлена из одинаковых минимальных модулей (полигонов {Pg} или полиэдров {Ph}) или ограниченного набора разных минимальных модулей, строение и форма которых содержит структурную информацию о самой наноструктуре.

2. Принцип иерархии модулей наноструктур: Наноструктура N (Σ{P})(T) может быть представлена как модулярная из своих структурных фрагментов или модулей (полигонов {Pg} или полиэдров {Ph}). В частности, модулярное строение каждой наноструктуры может быть представлено нульмерными модулями-нанообъектами или их модульными блоками, а модули классифицируются по сложности в иерархической последовательности:

Nn ⊂ Nn-1 ⊂ Nn-2 ⊂ … ⊂ N1.

3. Принцип детерминистичности множества полученных локальных наноструктур в структурированном пространстве: Упорядоченное множество идентичных локальных наноструктур, полученных из нанообъектов вида N (Σ{P})(T) в одинаковых единичных ячейках предварительно структурированного пространства, представляет собою детерминистическую наноструктуру. Детерминистическая наноструктура включает в себя множество локальных наноструктур, которые упорядочены в 3D пространстве в соответствии с собственной локальной симметрией и элементов симметрии дискретной группы трансляций T(t1,t2,t3) ячеистого 3D пространства [31, 32].

4 Принцип структурной совместимости разносортных нанообъектов для получения соответствующего разбиения. В результате дизъюнктного объединения множеств нанообъектов N (Σ{P})(T) разного сорта внутри каждой пространственной ячейки происходит их полное или частичное упорядочение, такое, что образующаяся детерминистическая наноструктура характеризуется соразмерными с параметрами ячеек периодами идентичности, а упорядочение соответствует определенному закону упаковки разносортных нанообъектов.

5. Принцип ограниченного роста (эволюционирования) локальных наноструктур при усложнении их состава: С увеличением числа сортов структурно совместимых нанообъектов вида N (Σ{P})(T) локальная наноструктура ограниченно эволюционирует из инициальной ячейки в окружающее ячеистое пространство в соответствии со своим возможным вариантом разбиения и законом упаковки разносортных нанообъектов.

Данные о структурных состояниях в 3D пространстве рассматривались как возможные абстракции конфигураций межфазных границ и распределения фаз в объеме антифрикционных композиционных материалов и покрытий в процессе их формирования и последующего трибологического воздействия. Сформулированные выше принципы ранее были использованы при целенаправленном поиске и интерпретации трибологических свойств поверхности композиционных материалов и покрытий [20-22, 37–47], свойств химически активных материалов и анодных покрытий [48-52].


Библиографическая ссылка

Иванов В.В. ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ВОЗМОЖНЫХ СТРУКТУРНЫХ СОСТОЯНИЙ ИЗ НАНОРАЗМЕРНЫХ КОМПОНЕНТ С УЧЕТОМ СВОЙСТВ МНОЖЕСТВА СООТВЕТСТВУЮЩИХ НАНООБЪЕКТОВ // Успехи современного естествознания. – 2014. – № 7. – С. 96-99;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=34152 (дата обращения: 18.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074