CC BY
35
УДК 621.28
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ НАНОПОВЕРХНОСТЕЙ И НАНООБЪЁМОВ МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУР, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ИЗЛУЧЕНИЯМИ
В.С. Ловейкин, профессор, д.т.н., Ю.В. Човнюк, доцент, к.т.н., А.В. Яворская, аспирант, О.Ю. Костына, аспирант, Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины (НУБиПУ), г. Киев
Аннотация. Основными составляющими молекулярно-электронных электрокинетических и диффузионных нанопреобразователей являются инертные наноэлектроды и рабочая жидкость. Рассматриваются различные способы технологической обработки наноэлементов и нанопреобразователей, направленные на уменьшение влияния дестабилизирующих факторов.
Ключевые слова: методы, обработка, наноповерхности, нанообъёмы, молекулярно-электронные структуры, электромагнитное излучение, взаимодействие.
МЕТОДИ ОБРОБКИ НАНОПОВЕРХОНЬ I НАНООБ’СМГВ МОЛЕКУЛЯРНО-ЕЛЕКТРОННИХ СТРУКТУР, ЩО ВЗАСМОД1ЮТЬ З ЕЛЕКТРОМАГН1ТНИМИ
ВИПРОМ1НЮВАННЯМИ
В.С. Ловейкш, професор, д.т.н., Ю.В. Човнюк, доцент, к.т.н., А.В. Яворська, асшрант, О.Ю. Костина, асшрант, Нацюнальний ушверситет бюресурав i природокористування УкраУни (НУБШУ), м. Кшв
Анотаця. Основними складовими молекулярно-електронних електроктетичних i дифузШних наноперетворювач1в е тертт наноелектроди й робоча рiдина. Розглянуто рiзноманiтнi спосо-би технологiчноï обробки наноелементiв i наноперетворювачiв, спрямоват на зменшення впли-ву дестабтзуючих факторiв.
Ключовi слова: методи, обробка, наноповерхт, нанооб ’еми, молекулярно-електронн структу-ри, електромагнтне випромтювання, взаемодiя.
METHODS OF PROCESSING OF NANOSURFACES AND NANOVOLUMES OF MOLEKULAR-ELECTRONIC STRUCTURES COOPERATING WITH ELECTROMAGNETIC RADIATIONS
V. Loveykin, Professor, Doctor of Engineering, Y. Chovnyuk, Associate Professor, Candidate of Technical Science, A. Yavorska, graduate,
O. Kostyna, graduate, National University оf Life & Environmental Science
of Ukraine (NUBIP), Kyiv
Abstract. The basic components of molecular-electronic electrokinetic and diffusion nanoconverters are the inert nanoerlecrtodes and working fluid. Various ways of the nanoelements and nanoconverters producing directed to the reducing the destabilizing factors are considered.
Key words: methods, processing, nanosurfaces, nanovolumes, molekular-electronic structures, electromagnetic radiation, interaction.
Введение
В области измерения параметров механического движения нанороботов, механических
и акустических воздействий и волновых полей преимущественно в инфранизкочастот-ном диапазоне применяют молекулярноэлектронные (МЭ), электрокинетические и
диффузионные нанопреобразователи. Основными составляющими таких нанопреобразователей являются инертные наноэлектроды и рабочая жидкость. Наноэлектроды служат для подвода и отвода электронов, участвующих в реакции. Сила тока, протекающего через такой нанопреобразователь, зависит от природы реагирующих частиц, состава и концентрации жидкости (полярол -в первом случае и электролит для диффузионных систем), приложенного напряжения, способов подачи реагентов к поверхности электродов и их отвода на наномасштабном уровне. Процессы переноса вещества определяются миграцией, диффузией и конвекцией. Разработка преобразующих ячеек с выполнением определённых условий - пренебрежимо малым влиянием миграции, естественной конвекции и постоянным процессом диффузии - определило построение наносистем преобразования, использующих зависимость вынужденной конвекции от действия направленных внешних факторов [1-3].
Анализ публикаций
Основные физические процессы, характерные для МЭ-нанопреобразователей [1], сопровождаются дополнительными процессами взаимодействия рабочей жидкости с конструктивными наноэлементами. Различные способы технологической обработки наноэлементов и нанопреобразователей направлены на уменьшение влияния дестабилизирующих явлений. Одним из эффективных способов повышения стабильности и долговечности МЭ-нанопреобразователей является применение инертных стойких материалов. В работах [1-3] проведено исследование ряда металлов и обосновано применение таких металлов, как тантал и титан.
Изоляционные оксидные покрытия, позволяющие обеспечить минимальное расстояние между наноэлектродами (~10-2-10-3 нм), улучшают динамические характеристики. Различные способы обработки и очистки конструкционных материалов, конструктивных наноэлементов и наноустройств позволяют повысить инертность поверхностных наноконтактов. На заключительной стадии, как правило, применяют гидродинамическую очистку, которая не охватывает пристеночный слой, толщина которого определяется вязкостью рабочей жидкости, шероховатостью внутренней поверхности микроканалов,
а также их формой и составляет не менее 103 нм, т. е. на три порядка больше толщины двойного слоя (~1 нм). Более эффективным является применение электрохимических способов. В этом случае при подаче на наноэлектроды преобразователя переменного напряжения образуется поток жидкости через преобразующий наноэлемент, который возникает в результате воздействия электрического поля на заряды двойного слоя в жидкой фазе, образованного непосредственно у поверхности твёрдого тела. При этом толщина его составляет приблизительно 10 нм и все микрочастицы, адсорбированные на поверхности твёрдого тела и выделяемые им, выносятся из микроканалов. Для электроки-нетических нанопреобразователей - это электроосмотическая прокачка жидкости переменным напряжением, эффективное значение которого определяется физическими и геометрическими параметрами преобразователя (наномасштабного уровня)
иэф>
• /.
К0
Ко >
вв0•% 2ц
(1)
где в0 - диэлектрическая постоянная; в -
диэлектрическая проницаемость рабочей жидкости; £, - электрокинетический потенциал; И - толщина преобразующего наноэлемента; / - частота; ц - вязкость рабочей жидкости; иэф - физический (эффективное напряжение/потенциал) и К0 - геометрический параметры нанопреобразователя.
Данный приём эффективен как для технологической обработки, так и для контроля стабильности основного параметра в целях отбраковки наноизделий в производстве. В первом случае напряжение подаётся до установления постоянного значения, измеряемого между электродами внутреннего сопротивления Явн, по изменению АЯвн которого устанавливается погрешность коэффициента преобразования по току АК
АК =
К•АК“ ; К = В^0 ^ , (2)
К, ц И
где ¥п и оп - площадь преобразующего наноэлемента и его пористость.
При реализации данного приёма напряжение устанавливается в зависимости от физико-
химических и конструктивных параметров нанопреобразователей таким образом, чтобы за каждый полупериод протекания тока через преобразующий элемент в его объёме полностью менялась бы жидкость. Для наносистем с параметрами
Кисх =^/(S' SQ- ^) = const (3)
это напряжение определяется частотой f и толщиной преобразующего наноэлемента h и находится из выражения для скорости поТ в- Sq • U
тока жидкости Т =-----------
ц h
иэф = 2-Кисх •#• f. (4)
Осуществляемая таким образом очистка -выведение из микропор преобразующего наноэлемента примесей - приводит к стабилизации параметров нанопреобразователя. Контроль стабилизации проводится постоянным или периодическим измерением внутреннего сопротивления между наноэлектродами считывания. При достижении минимально допустимого (в пределах погрешности измерения) изменения сопротивления АЯви переменное напряжение отключается и определяется погрешность коэффициента преобразования
К £- £0 • %• Fn • СТп АКви (5)
Цh Явн'
Такими приёмами устраняется масса дестабилизирующих факторов - выщелачивание ионов примесей, механическое загрязнение микроканалов, конвективный переток жидкости при термоциклировании, ионизирующее излучение и др.
Взаимодействие различных веществ и электромагнитных излучений (ЭМИ) практически в любом случае ведёт к частичному поглощению веществом энергии [1]. Процессы, происходящие при этом, и приобретённая веществом энергия определяются структурой вещества (составом, молекулярным строением и т. п.), характеристиками ЭМИ (мощностью, частотой, плотностью, интенсивностью потока), характером воздействия (точечным, направленным, объёмным) [2]. ЭМИ не обладают ионизирующей способностью, воздействуют только на активные вещества и составы, уже имеющиеся свободные заряды и диполи. Такие вещества характеризуются
диэлектрическими свойствами, определяемыми химическим составом, частотой и интенсивностью электрических процессов,
происходящих внутри объёма вещества [3].
При взаимодействии ЭМИ с такими веществами возникают два основных эффекта, определяющих изменение начальных свойств вещества. Колебания свободных зарядов (ионов) приводят к увеличению токов проводимости и потере энергии, связанной с электрическим сопротивлением вещества. Вращение дипольных молекул с частотой приложения электромагнитного поля влияет на токи смещения и диэлектрические потери, обусловленные вязкостью среды. Соотношение между этими двумя видами преобразования энергии выражается комплексной диэлектрической проницаемостью или тангенсом угла потерь. Диссипация магнитной энергии в веществах зависит от их электрических свойств и размеров объекта. Зависимость диэлектрических свойств многокомпонентных объектов от частоты действующего поля различна [4].
Цель работы и постановка задачи
Цель данного исследования состоит в установлении основных закономерностей и особенностей методов обработки наноповерхностей и нанообъёмов молекулярно-электронных структур, взаимодействующих с электромагнитными излучениями. Реализация поставленной цели исследовании позволит с учётом молекулярного строения и физических свойств вещества также решить и задачу оптимизации режима технологического процесса электромагнитной обработки определённого объёма конкретного вещества.
Анализ процесса взаимодействия ЭМИ с различными веществами и его влияние на функционирование электрохимических наноячеек
Как было установлено в работах авторов [1-4], взаимодействие различных веществ и электромагнитных излучений (ЭМИ) практически в любом случае ведёт к частичному поглощению веществом энергии. Однако специфика этого взаимодействия зависит от частоты ЭМИ.
Так, при взаимодействии постоянного или инфранизкочастотного электрического поля
(до единиц герц) в электрохимической ячейке протекают ионные токи (без учёта процесса поляризации) - процесс, являющийся основополагающим для измерительной ячейки преобразователей (наномасштаба, в частности) [5]. Статические и динамические характеристики различных типов преобразователей могут быть представлены в виде передаточных функций
к\tt-p”+Г-1-Рп-1 +...+Т Р+1)
Ж (р)= 1 —1(6)
у ’ Т"-рп + Т2п-1-рп-1 +...+Т2-р +1
где К - соответствующий обобщённый коэффициент преобразования; Тх, Т2 - постоянные времени процесса преобразования; р - оператор дифференцирования.
При воздействии электромагнитных колебаний частотой порядка 103 ГЦ период колебаний ещё достаточен для того, чтобы двойной электрический слой успел перезарядиться. Это определяет довольно низкую ионную удельную проводимость. При этом ионный заряд и диэлектрическая проницаемость наноячейки за период колебаний также весьма велики. Последующий рост удельной проводимости происходит вследствие уменьшения ёмкостного сопротивления с увеличением частоты. Неполная перезарядка двойного слоя приводит к процессу образования ионных токов, и проводимость плавно увеличивается, а диэлектрическая проницаемость падает. Релаксация ионов у заряженных поверхностей двойного электрического слоя определяется как механизм а-дисперсии.
Порядок характеристических уравнений определяется свойствами конкретного преобразователя и его (нано-)структурой.
Для ячейки с полярной жидкостью основными процессами при этом являются электроосмос и электрофорез. Расчёт характеристик этих процессов строится на основе термодинамического соотношения
— = в-Ар + /• — > 0, (7)
& Т Т
где S - энтропия; ^ - время; G - расход жидкости; Ар - перепад давления; I - сила электрического тока; Аи - разность потенциалов; Т - температура.
При протекании переменного тока низкой частоты (от герц до килогерц) на границе раздела фаз в двойном электрическом слое происходят колебания концентрации, распространяющиеся в глубь раствора с постепенно затухающей частотой, что и определяет частотную зависимость проводимости наноячейки МЭ-преобразователей
-1/2
где Ж = -
ЯТ
•(1 - ]), ] = >/-!, (8)
- постоянная Вар-
п--^2 •С• 725
бурга; п - валентность образующего иона; Я - газовая постоянная; ^ - число Фарадея; С - концентрация электролита; 5 - коэффициент диффузии; ш - частота; - про-
водимость.
Лавинное вовлечение глубинных сред в процесс образования ионных токов на частотах 104-105 Гц вызывает резкое возрастание удельной проводимости. Кроме того, поляризация молекул воды (и других компонентов) приводит к возникновению токов смещения, значительно увеличивая токи обмена при тех же амплитудах напряжённости электрического поля, т. е. уменьшает удельное сопротивление наноячейки.
На частотах 105-107 Гц двойной слой всё меньше и меньше перезаряжается. В итоге ёмкостное сопротивление падает - всё большее число заряженных ионов перезаряжается, увеличивая ионный ток, т. е. проводимость продолжает возрастать, а диэлектрическая проницаемость уменьшается. При этом значительно возрастают поляризация молекул и обусловленные ею токи смещения, что приводит к увеличению суммарных токов в наноячейке.
При частоте электромагнитных колебаний свыше 108 Гц (КВЧ-диапазон) ёмкостное сопротивление становиться настолько малым, что наноячейку можно считать короткозамкнутой. Поляризация молекул и токи смещения становятся преобладающими. Характерные частоты молекул воды, как связанной (гидротированной), так и свободной, оказываются равными или ниже частот воздействующего поля. Релаксационная область в диапазоне 104-108 Гц определяет Р-
дисперсию.
Процессы в области более высоких частот (у-дисперсия) характеризуются возбуждением дипольных молекул воды. Такие молеку-
лы приходят в колебательное движение, сталкиваются с псевдовозбуждёнными, передавая им энергию, которая расходуется на дополнительное тепловое движение частиц. Проводимость наноячейки вновь резко возрастает, а диэлектрическая проницаемость меняется незначительно.
Рассмотренный механизм воздействия электромагнитного поля показывает, что с возрастанием частоты индуцирование ионных токов постепенно заменяется поляризацией молекул. Диэлектрические потери в объёме вещества при этом увеличиваются. В практических расчетах необходимо учитывать и температурную зависимость диэлектрических свойств веществ, которая меняется с частотой, но в определённой полосе может быть принята постоянной. Так, для СВЧ-диапазона относительное изменение удельной проводимости и диэлектрической проницаемости воды А5 / 5 = ( 2%) /(°С) и
Ав / в = (0, 5%)/(°С), соответственно.
Ограничение эксплуатационных возможностей МЭ-преобразователей связано с наличием в электрохимической наноячейке примесей, которые обусловлены адсорбированием на наноэлектродах поверхностно активных веществ (ПАВ), снижающих значение предельного тока I относительно значения
диффузионного тока 1д
1пр = V$,О -е)/= 1д-(1 -0), (9)
где Sэ - рабочая площадь наноэлектрода;
0 - часть поверхности, заполненная ПАВ.
При наложении на работающую на переменном токе наноячейку преобразователя переменного тока, интегральное значение которого за каждый период достаточно для возникновения электрохимической реакции, у поверхности наноэлектродов возникают вихре -вые перемещения слоёв электролита [1]. Скорость тангенциального движения электролита УТ определяется из соотношения для средней плотности предельного тока I в сферической капле
V = IПр7 ( 0,72-п2- 5-С2- ^2);
Iпр = 2п-5-С-¥ - ^8я- С^/ (в- Я-Т ),
(10)
где & - характерный размер измерительного наноканала; п - валентность электроактив-ных ионов.
Для образования движения электролита со скоростью Ут частота / переменного тока должна определяться выражением
/ = Ут/(2п-Ье ) = Ут/ (п-Ьэ);
(К) = 0,54,
(11)
где Ье - глубина распространения вихря от наноэлектрода по оси наноячейки; Ьэ - расстояние между наноэлектродами.
Из выражений (10) и (11) находим '/ = 44,444-5-С-¥2 -&/(в-Я-Т-Ье)
или
/ = а'-5-С&/ (в-Т-Ье);
а' = 4,96 -1010 [Н - К - с2/м3 - моль].
(12)
Данное выражение определяет частоту переменного тока /, необходимую для образования вихревого движения электролита в нанообъёме межнаноэлектродного пространства с максимальной скоростью при среднем значении амплитуды переменного тока, равном предельному диффузионному току
1 = Iпр . При других значениях i частота устанавливается по следующей зависимости
/ = а'-Ь2-5-С-
-Т-ье)
(13)
При этом 1 > Iпр, так как образование вихревого движения электролита определяется интегралом тока. С учётом зависимости коэффициента диффузии 5 и концентрации С от температуры
АТ
5 = 50 Л/1 ±С = С0/(1 ±Кс-АТ), (14)
выражение (13) принимает вид
/ = а'-Ь-50-С0 &
ТК . ,!±АТ/Т0
1 + К - АТ
, (15)
где 50, С0 - исходные значения коэффициента диффузии и концентрации, соответственно, при температуре Т0; Кс = 5 -10-4 -коэффициент зависимости концентрации от температуры, [ Кс ] = град-1.
Для рабочего температурного диапазона от -20 °С до +50 °С с практически достаточной точностью (±5 %) получаем выражение для определения частоты / переменного тока 1 от параметров электрохимической наноячейки
/ = а-Ь2-50-С/(в-Ьэ), Гц; а = 3,4-108,Н-с/(м-моль); Ь = .
(16)
Таким образом, при полученных соотношениях (16) силы и частоты переменного тока, пропускаемого через измерительную наноячейку наряду с выходным сигналом, создаётся оптимальный режим работы электрохимической наноячейки преобразователя - максимально допустимая скорость вихревого движения электролита позволяет уменьшить до минимума адсорбцию поверхностно активных веществ на наноэлектроды. Произведение ^ -(1 -0) в (9) для определения силы
максимального предельного тока стремится к ^. Учитывая, что такая адсорбция при отрицательных температурах наибольшая, данный способ обеспечивает расширение рабочего температурного диапазона, повышает точность и стабильность работы МЭ-(нано-) преобразователей.
Для двухэлектродной электрохимической наноячейки с характерными размерами & = 2Ье = Ьэ, иод-иодидным электролитом с концентрацией электроактивных ионов С0 = 103 моль / кг при 1 = I получаем: / = 48,57 Гц. Таким образом, для такой системы с достаточной степенью точности можно считать оптимальной промышленную частоту / = 50 Гц .
Экспериментальные исследования [2, 3] показывают снижение внутренних шумов, повышение стабильности и увеличение срока сохранности МЭ-преобразователей при наложении на основной процесс переменного тока. Для более сложных наноэлектродных систем частота рассчитывается по данной
методике с учётом особенностей конструкции электрохимической ячейки/наноячейки.
Рассмотренный в [7] способ контактной электромагнитной обработки различных веществ, в первую очередь, жидких, позволяет с учётом молекулярного строения и физических свойств вещества установить оптимальный режим технологического процесса электромагнитной обработки определённого объёма (в т. ч. наномасштабного уровня) конкретного вещества [6].
При непосредственном воздействии электромагнитной волны на вещество, например, жидкость, в её пограничной зоне, толщина которой определяется размером единичных молекул (наномасштабный уровень), образуется повышенное давление
Ар = 7 2-1-р-У,
(17)
где I - интенсивность электромагнитного воздействия; У = ^Щр - скорость распространения волн в веществе; Е - модуль упругости вещества; р - плотность вещества.
Этот процесс вызывает изменение плотности в пограничной (нано-)зоне
Ар =
АР-Р К
(18)
где К - объёмный модуль (величина, обратная сжимаемости).
Образуемый при этом градиент плотности является источником диффузионного процесса в объёме вещества. Масса диффундирующего вещества М определяется также по известному выражению [1, 4-6]
М = 5-Ар-БК- ¿/ 5,
(19)
где 5 = ^5(2- п- /) - толщина диффузионного слоя; 8К - площадь контакта вещества с электромагнитным полем; ^ - время процесса диффузии; 5 = п / р - коэффициент диффузии; п - вязкость вещества при заданной температуре.
Решая уравнение (19) относительно времени ^, получим выражение, определяющее время протекания процесса диффузии по всей массе вещества, обеспечивающего его оконча-
тельную и одинаковую для единицы массы (объёма) обработку электромагнитным полем. Выразив интенсивность электромагнитного поля через его напряжённость, получим следующую зависимость времени обработки, напряжённости и частоты воздействия от физических и геометрических параметров обрабатываемого вещества
г = 0,141-N• М-К-Н--БК X~1/2:
хп
-1/2
/ ~1/2 -р-3/4- Е “1/4 -Ат.
1/4
(20)
где г - время воздействия электромагнитного поля на вещество; М - масса вещества; К - объёмный модуль вещества; / - частота электромагнитного воздействия; р, п - плотность и вязкость вещества, соответственно; Е - модуль упругости вещества; БК - площадь контакта вещества с электромагнитным полем; X - волновое сопротивление линии передачи; Н - напряжённость электромагнитного поля; N - степень обработки; Ат -коэффициент, учитывающий влияние температуры.
Зависимость (21), определяющая режимы способа контактной электромагнитной обработки веществ, может быть выражена и через выходную мощность Р источника электромагнитного поля, определяемую по напряжённости
Н = 2-^Р/(Бц XО);
и
/
(21)
где /' - критическая частота для цепи передачи; Бц - площадь цепи передачи.
Выводы
Проведен анализ динамических процессов, протекающих в молекулярно-электронных структурах, их поверхностях и объёмах, на наномасштабном уровне детализации.
Полученные в работе результаты могут быть в дальнейшем использованы для усовершенствования и уточнения существующих инженерных методов расчёта и управления нано- и микросистемной техникой, биологическими наносистемами (на клеточном и «мембранном» уровне), а также при моделировании биофизических процессов, в физике
живого, когда существует взаимодействие биотел с полями различной физической природы.
Литература
1. Галуза А.А. Инвариантные временные
свойства электромагнитных импульсов, распространяющихся в рассеиваемой поглощающей неоднородной среде / А.А. Галуза, А.С. Мазманишвили // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2001. - Т.6, №1. -С.21-27.
2. Бучаченко А.Л. Магнитные и спиновые эф-
фекты в химических реакциях / А.Л. Бучаченко, Р.З. Сагдеев, К.М. Салихов // Труды Новосибирского ун-та. - Новосибирск, 1973. - 296 с.
3. Шван Х.П. Воздействие высокочастотных
полей на биологические системы: Электрические свойства и биофизические механизмы / Х.П. Шван, К.Р. Фостер // ТИИР. - 1980. - Т. 68, №1. - С. 121-132.
4. Желонкин А.И. Механизм электромагнит-
ной коррекции преобразователей / А.И. Желонкин // ЬУ Научная сессия, посвящённая Дню радио «Радиотехника, электроника на рубеже тысячелетия». Российское НТО «Радиотехника, электроника и связь им. А. С. Попова». - М., 2000.- С. 144-147.
5. Желонкин А.И. Суперпозиционное элек-
тродинамическое воздействие на характеристики МЭ преобразователей /
A.И. Желонкин // Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот.
- 2002. - Т. 10, №3(35). - С. 216-220.
6. Желонкин А.И. Взаимодействие электро-
химических процессов, электрических и электромагнитных полей / А.И. Желонкин // Журнал НИИ «Квант». «Автономная энергетика. Технический прогресс и экономика». - 2000. - № 10-11.
- С. 23-28.
7. Патент №2091324. Российская Федерация.
МПК 6С02П/48 Способ электромагнитной обработки веществ / А.И. Желонкин,
B.Ю. Михеев ; заявитель В.Ю. Михеев,
патентообладатели А.И. Желонкин,
В.Ю. Михеев. - № 96101414/25 ; заявл. 23.01.1996 ; опубл. 27.09.1997, Бюл. № 27.
Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д.ф.-м.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 20 августа 2010 г.
