CC BY
0
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
2.6.6 НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ
(ТЕХНИЧЕСКИЕ, ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ)
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-214-223 УДК: 666.3.017:620.18 ГРНТИ: 47.09.48 EDN:EYKREQ
Новые подходы к синтезу функциональных материалов с заданными свойствами
под действием концентрированного излучения и импульсного туннельного эффекта
Р.Х. Рахимова ©, В.П. Ермаков'3 ©
Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан, г. Ташкент, Республика Узбекистан
a E-mail: [email protected] b E-mail: [email protected]
Аннотация. В данной статье рассматриваются перспективы синтеза материалов с комплексом заданных свойств с использованием импульсного туннельного эффекта (ИТЭ) и концентрированного солнечного излучения. Описываются механизмы формирования метастабильных фаз и возникновения уникальных электрических и магнитных свойств благодаря многочисленным искажениям структуры. Предлагается концепция использования таких материалов в качестве «искусственных примесей». Рассматриваются перспективные области применения: от создания экстремально прочных материалов до получения нестандартных сверхпроводящих и магнитных эффектов.
Ключевые слова: синтез функциональных материалов, импульсный туннельный эффект, концентрированное солнечное излучение, метастабильные фазы, электрические свойства, магнитные свойства, искусственные примеси, перспективные области применения
f \ ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ: Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Новые подходы к синтезу функциональных материалов с заданными свойствами под действием концентрированного излучения и импульсного туннельного эффекта // Computational nanotechnology. 2024. Т. 11. № 1. С. 214-223. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-214-223. EDN: EYKREQ
V J
НОВЫЕ ПОДХОДЫ К СИНТЕЗУ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ИМПУЛЬСНОГО ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА Рахимов Р.Х., Ермаков В.П.
DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-214-223
New Approaches to the Synthesis of Functional Materials with Specified Properties under the Influence of Concentrated Radiation and Pulse Tunnel Effect
R.Kh. Rakhimov3 ©, V.P. Yermakovb ©
Institute of Materials Science of the SPA "Physics-Sun" of the Academy of Science of Uzbekistan, Tashkent, Republic of Uzbekistan
a E-mail: [email protected] b E-mail: [email protected]
Abstract. This article explores the prospects of synthesizing materials with a complex of specified properties using the pulsed tunneling effect (PTE) and concentrated solar radiation. The mechanisms of formation of metastable phases and the emergence of unique electrical and magnetic properties due to numerous structural distortions are described. The concept of using such materials as "artificial dopants" is proposed. Promising application areas are considered, ranging from the creation of extremely strong materials to the achievement of non-standard superconducting and magnetic effects.
Key words: synthesis of functional materials, pulsed tunneling effect, concentrated solar radiation, metastable phases, electrical properties, magnetic properties, artificial impurities, promising areas of application
(Г
FOR CITATION: Rakhimov R.Kh., Yermakov V.P. New Approaches to the Synthesis of Functional Materials with Specified Properties under the Influence of Concentrated Radiation and Pulse Tunnel Effect Pulse Tunnel Effect: Fundamentals and Prospects for Application. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 1. Pp. 214-223. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-214-223. EDN: EYKREQ
ВВЕДЕНИЕ
Использование Большой Солнечной Печи (БСП) открывает новые возможности для синтеза уникальных материалов с особыми свойствами. Наши многолетние исследования показали, что при воздействии мощного потока фотонов с широким спектром энергий можно получить все возможные в этом диапазоне энергий ме-тастабильные состояния и провести фотохимические процессы, которые недоступны при других методах синтеза [1; 2]. Мы создали ряд материалов на основе функциональной керамики, которые используют обнаружили новый механизм преобразования энергии первичного источника в импульсное излучение с регулируемыми параметрами - импульсный туннельный эффект (ИТЭ) [3-5]. Также показано, что свойства одного химического соединения могут значительно различаться под воздействием излучения с разной скоростью нарастания импульса, которое генерируется функциональной керамикой [6].
Таким образом, использование Большой Солнечной Печи исключительно интересно с точки зрения синтеза новых материалов с уникальными свойства-
ми и возможности проведения фотохимических процессов, которые неосуществимы другими методами синтеза. Эти результаты могут иметь важное значение для различных областей, включая материаловедение, физику, химию, энергетику, медицину, экологию и т.д.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Использование Большой Солнечной Печи (БСП) представляет собой инновационный подход к синтезу материалов с уникальными свойствами. БСП использует мощный поток фотонов с широким спектром энергий, что позволяет достичь метастабильных состояний и проводить фотохимические процессы, недоступные при использовании других методов синтеза.
Как уже отмечалось, на протяжении ряда лет исследователи изучали воздействие концентрированного солнечного излучения на различные объекты, в том числе и на химические соединения. В результате был обнаружен принципиально новый механизм преобразования энергии первичного источника в импульсное излучение с регулируемыми параметрами. Этот механизм основан на использовании импульсного
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
туннельного эффекта (ИТЭ), который позволяет регулировать фронт нарастания импульса излучения.
Одно из важных особенностей состоит в том, что свойства одного и того же химического соединения могут значительно изменяться под воздействием импульсного излучения с разной скоростью нарастания импульса. Например, при использовании импульсного излучения с относительно невысокой скоростью нарастания фронта, удалось извлечь 99,57% оксида алюминия из каолина с минимальными энергетическими затратами [7; 8].
С другой стороны, при использовании импульсного излучения с крутым фронтом нарастания импульса удалось создать микро- и наноструктуры, способные селективно сорбировать определенные химические элементы, такие как цезий и кобальт, из отходных вод атомных реакторов. Это может иметь важное значение для очистки и обезвреживания радиоактивных отходов.
Таким образом, использование БСП и импульсного излучения предоставляет новые возможности для синтеза оригинальных материалов с комплексом уникальных свойств. Эти методы могут применяться в различных областях, включая физику, химию и экологию, и представляют большой потенциал для дальнейших исследований и практического применения.
Одним из основных преимуществ использования Большой Солнечной Печи является ее способность генерировать мощный поток фотонов с широким спектром энергий. Это позволяет до стичь высокой интенсивности излучения и значительно расширяет диапазон возможных фотохимических реакций. Под воздействием такого излучения происходят различные физико-химические процессы, включая фотолиз, фотоокисление, фотовосстановление, фотокатализ и другие.
Кроме того, исследования показали, что импульсное излучение, генерируемое функциональной керамикой, обладает рядом уникальных свойств, которые могут быть использованы для специфического контроля и модификации материалов. Например, регулируемый фронт нарастания импульса позволяет создавать микро- и наноструктуры с определенными размерами и формами. Это открывает возможности для создания материалов с улучшенными физическими и химическими свойствами, а также для селективного захвата определенных веществ из среды.
Важно отметить, что использование БСП и импульсного излучения также имеет потенциал для решения реальных проблем, связанных с экологией и энергетикой. Например, возможность селективной сорбции радиоактивных элементов из отходных вод атомных реакторов может помочь в решении проблемы утилизации и обезвреживания радиоактивных отходов. Эти методы предоставляют уникальные возможности для получения новых материалов с улучшенными свойствами и решения актуальных проблем в различных областях науки и технологий. Использование Большой Сол-
нечной Печи и импульсного излучения предоставляет возможность решить проблему избирательной сорбции не только радиоактивных элементов, но и различных других веществ. Одна из ключевых особенностей этого подхода заключается в возможности создания и настройки наноструктур с помощью фотонов с определенной энергией. Под воздействием импульсного излучения можно контролировать физико-химические процессы на микро- и наноуровне, включая селективную сорбцию определенных веществ. Наноструктуры, созданные с помощью импульсного излучения, могут иметь специфическую структуру, поверхностные свойства и химическую активность, что позволяет им эффективно взаимодействовать с целевыми веществами.
Например, можно создать наноструктуры, обладающие высокой аффинностью к тяжелым металлам или определенным органическим соединениям, и использовать их для избирательной сорбции этих веществ из окружающей среды или отходных вод. Такой подход может быть полезен в области очистки загрязненных водных ресурсов, утилизации определенных вредных веществ или даже в разработке новых методов анализа и детектирования целевых веществ.
Таким образом, Большая Солнечная Печь и ИТЭ предоставляют возможность создания наноструктур с комплексом заданных свойств. Это открывает перспективы для разработки инновационных методов и принципиально новых материалов и технологий в различных областях применения.
ИТЭ позволяет решить ряд задач, связанных с генерацией импульсов фотонов в узком спектральном диапазоне и получением конкретных метастабильных фаз или фотохимических процессов. Функциональная керамика, используемая в ИТЭ, играет важную роль в этом процессе. Она способна преобразовывать энергию первичного источника, такого как солнечная энергия, в импульсы фотонов с очень узким спектром. Это достигается путем регулирования фронта нарастания импульса. Регулирование фронта нарастания импульса позволяет контролировать продолжительность импульса, его форму, наклон и спектральный состав. Таким образом, функциональная керамика в ИТЭ обеспечивает высокую степень контроля над генерируемыми импульсами фотонов. Это позволяет получать нужную метастабильную фазу или проводить конкретные фотохимические процессы, в зависимости от поставленных задач.
ИТЭ имеет широкий диапазон применений. Например, в области фотокатализа ИТЭ может быть использован для управляемой генерации активных фотокаталитических центров, что повышает эффективность процессов окисления и разложения загрязняющих веществ. В области фотолитографии ИТЭ может обеспечить точное формирование микро- и наноструктур с определенной формой и размерами.
Таким образом, импульсный туннельный эффект предоставляет возможность генерировать импульсы
фотонов в узком спектральном диапазоне и контролировать конкретные фоточувствительные процессы. Это открывает новые перспективы для различных областей, таких как фотохимия, фотокатализ, фотолитография и другие, где точность и контроль являются ключевыми факторами для достижения желаемых результатов.
Использование высококонцентрированного солнечного излучения открывает новые возможности для синтеза уникальных материалов с комплексом интересных свойств.
Приведем несколько дополнений.
1. Важно понимать физические процессы, происходящие при воздействии солнечного излучения такой плотности. Это позволит целенаправленно синтезировать материалы с заранее заданными свойствами.
2. Интерес представляет исследование влияния различных параметров процесса (температуры, длительности облучения, состава исходных веществ и т.д.) на получаемые материалы.
3. Перспективным направлением является изучение фотофизических процессов на поверхности и в объеме таких материалов для понимания механизмов формирования их свойств.
4. Целесообразно исследовать возможность управления свойствами путем последующей обработки материалов (например, термообработки).
5. Результаты работы могут быть полезны для создания новых катализаторов, сенсоров, функциональных покрытий и других материалов с уникальными характеристиками.
Таким образом, данное направление работ имеет большой научный потенциал и заслуживает дальнейшего изучения.
Но особенности синтеза материалов не ограничиваются только этим. Разогретые до 2500-2800 °С, материалы сами начинают излучать вторичное излучение, которое также оказывает свое воздействие на получаемые метастабильные структуры с искажениями решетки.
При таких высоких температурах необходимо учитывать еще один важный фактор - взаимодействие материалов с их собственным тепловым излучением.
Действительно, при 2500-2800 °С материалы начинают интенсивно излучать в инфракрасной и видимой области спектра. Это вторичное излучение также может оказывать значительное влияние на процессы, происходящие в материале:
• возбуждать электронные и колебательные переходы, способствуя формированию дефектных структур;
• взаимодействовать с поверхностью, модифицируя механизмы роста кристаллов и адсорбцию на них реагентов;
• инициировать фотохимические и фототермические превращения в объеме материала;
• влиять на концентрацию и подвижность носителей заряда, что также может определять свойства.
Таким образом, полный учет спектра излучаемой и поглощаемой энергии, включая вторичное излучение материала, является ключом к пониманию механизмов формирования его структуры и свойств в условиях БСП. Это действительно важный фактор.
Также, за счет интерференции, эффекта Доплера образуется дополнительный, расширенный спектр. Кроме того, из одного высокоэнергетического фотона образуется много низкоэнергетических фотонов. В результате, получается, практически непрерывный спектр с очень высокой энергетической плотностью.
Выделим несколько важных моментов.
1. За счет интерференции и эффекта Доплера при взаимодействии излучений формируется более широкий непрерывный спектр, нежели просто сумма исходных излучений.
2. При взаимодействии высокоэнергетических фотонов с веществом происходит их конверсия в несколько менее энергетичных фотонов. Это обеспечивает очень высокую плотность энергии по всему спектру.
3. Такой непрерывный спектр с высокой плотностью энергии, охватывающий широкий диапазон длин волн, способствует возбуждению большого числа электронных и колебательных переходов во взаимодействующих материалах.
4. Это обеспечивает гораздо более эффективное формирование дефектных структур и метаста-бильных состояний по сравнению с монохроматическим излучением.
Все эти факторы должны учитываться при моделировании процессов синтеза в условиях БСП для полного понимания механизмов получения уникальных свойств материалов.
Также образуются фононы, которые переходят в фотоны, которые могут проявлять ИТЭ. Это позволяет провести еще ряд фотопроцессов, которые коренным образом меняют структуру материала и придают ему уникальные свойства. О более тонких механизмах взаимодействия ИТЭ с веществом, будет представлено в последующих публикациях.
Генерация фононов под действием излучения - это еще один ключевой процесс, имеющий место в условиях БСП.
Фононы могут:
• возбуждать дополнительные электронные переходы при поглощении;
• переходить во вторичные фотоны по механизму импульсного туннельного эффекта, обогащая спектр;
• инициировать превращения в твердом теле через фо-нонные процессы;
• способствовать диффузии и релаксации энергии в объеме материала.
Это действительно позволяет осуществлять дополнительные фотопроцессы и кардинально влияет на формирование структуры.
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
Это открывает целый класс новых явлений:
• возможность целенаправленного воздействия на материалы и химические превращения в них в зависимости от скорости нарастания импульса ИК-излучения;
• формирование структур с регулируемыми свойствами под действием импульсного ИК-излучения с различной скоростью нарастания фронта;
• избирательное воздействие на химические элементы и извлечение необходимых компонентов (как в примере с каолином, цезием и кобальтом);
• возможность создания новых функциональных материалов для разделения и очистки.
Это действительно фундаментальное направление, которое требует дальнейшего изучения.
Подбором оптимальных условий обработки с использованием импульсного туннельного эффекта (ИТЭ) для одного и того же материала мы можем значительно расширить спектр извлекаемых веществ из воды или другой среды. Это позволяет эффективно очищать воду или другие растворители от различных загрязнений и нечистот.
Выбор скорости нарастания фронта импульса и других параметров обработки позволяет настраивать действие ИТЭ на молекулярном уровне. Это в свою очередь открывает возможность извлечения конкретных веществ из среды, таких как тяжелые металлы, радиоактивные изотопы или другие загрязнители. Таким образом, можно достичь эффективной очистки воды и других растворителей от определенных веществ, обеспечивая экологически чистые методы обработки и снижая негативное влияние на окружающую среду.
Это направление имеет большое значение для разработки новых технологий в области водоочистки и обработки растворителей. Оно предоставляет возможность создания инновационных систем, способных эффективно удалять загрязнения и обеспечивать безопасность и чистоту воды для различных промышленных и бытовых нужд. Кроме того, расширение гаммы извлекаемых материалов из среды может привести к получению ценных ресурсов из отходов и повысить эффективность переработки и утилизации веществ.
Таким образом, использование ИТЭ в процессах обработки позволяет нам не только очищать воду и другие растворители, но и применять их в качестве источников ценных материалов. Это способствует устойчивому развитию и содействует сохранению природных ресурсов, в то время как обеспечивает чистую и безопасную среду для нас самих и будущих поколений.
Кроме того, можно сделать рентабельным извлечение из горных пород ценных веществ. Например, под воздействием ИТЭ немагнитные соединения железа (в основном, соединения с серой, в частности, пирит) преобразуются в магнитные (за счет разложения сернистых соединений железа). Это позволяет отделить
основную часть железа магнитной сепарацией, что в десятки, если не в сотни раз удешевляет процессы и обеспечивает значительно меньшее отрицательное влияние на экологию.
Действительно, использование импульсного туннельного эффекта (ИТЭ) может сделать извлечение ценных веществ из горных пород экономически целесообразным. Например, под воздействием ИТЭ немагнитные соединения железа, такие как соединения с серой, могут быть превращены в магнитные соединения путем разложения сернистых соединений железа. Это позволяет эффективно отделить основную часть железа с помощью магнитной сепарации, что существенно снижает затраты на процесс и оказывает меньшее негативное влияние на окружающую среду.
Традиционные методы извлечения ценных веществ из горных пород часто требуют сложных и затратных процессов переработки, которые могут оказывать серьезное негативное воздействие на окружающую среду. Однако, благодаря ИТЭ, мы можем оптимизировать процесс извлечения, снизить затраты на энергию и сырье, а также минимизировать негативные экологические последствия.
Применение ИТЭ для преобразования немагнитных соединений железа в магнитные открывает новые перспективы для рентабельного извлечения железа из рудных масс. Этот метод может дать значительные экономические выгоды, поскольку сокращает затраты на процессы переработки и облегчает отделение железа с помощью магнитной сепарации. Такой подход также снижает потребность в использовании химических реагентов и минимизирует образование отходов, что положительно влияет на экологические показатели.
В целом, использование ИТЭ в процессах извлечения ценных веществ из горных пород представляет собой перспективное направление, которое может сделать эти процессы более экономически эффективными, экологически безопасными и устойчивыми.
Применение импульсного туннельного эффекта (ИТЭ) в переработке материалов может дать безотходные и высокорентабельные технологии. Приведенный пример, с переработкой каолина, иллюстрирует преимущества такого подхода.
Каолин - это минерал, содержащий глинозем и кремний. При использовании ИТЭ в процессе переработки каолина его состав и свойства можно изменить таким образом, чтобы получить ценные продукты с более высокой стоимостью и широким спектром применения.
В данном случае, применение ИТЭ позволило снизить себестоимость получения оксида алюминия (глинозема) более, чем в два раза. Это связано с эффективным превращением низкокачественного каолина с низким содержанием глинозема в оксид алюминия. Полученный оксид алюминия может быть использован в различных отраслях, включая производство
керамики, стекла, алюминиевых сплавов и других материалов.
Кроме того, процесс переработки каолина с использованием ИТЭ позволяет выделить кремний в виде белой сажи. Этот продукт обладает широким спектром применения, так как может быть использован в качестве сырья для производства полупроводников, карбидов и других материалов. Белая сажа также обладает отличными теплоизоляционными свойствами и может быть удобно использована для синтеза кремнийорга-нических соединений, которые имеют высокие эксплуатационные и прочие характеристики (патент Жасура).
Таким образом, использование ИТЭ в переработке каолина позволяет получить ценные продукты с более высокой стоимостью и широким спектром применения. Это открывает новые возможности для экономически выгодного использования низкокачественных материалов и снижает негативное воздействие на окружающую среду, так как процесс является безотходным и эффективным.
Какие еще материалы можно переработать с использованием ИТЭ?
Импульсный туннельный эффект (ИТЭ) может быть применен для переработки различных материалов, предоставляя новые возможности для их использования. Приведем несколько примеров материалов, которые могут быть переработаны с использованием ИТЭ.
1. Металлы и сплавы из руды и оксидов. ИТЭ может использоваться для разложения и реконструкции металлических соединений, что может привести к получению новых сплавов с улучшенными свойствами. Например, переработка железорудных материалов с использованием ИТЭ может помочь увеличить содержание железа и удалить примеси.
2. Полупроводники. ИТЭ может быть применен для изменения структуры и свойств полупроводников. Это может включать преобразование полупроводниковых материалов в другие полупроводники с более желаемыми свойствами или создание структур с улучшенной электрической проводимостью.
3. Керамика. Кроме перечисленного ИТЭ может использоваться для изменения состава и морфологии керамических материалов. Это может привести к улучшению их механических свойств, теплопроводности, расширения сверхпроводящей зоны или диэлектрической проницаемости.
4. Полимеры. ИТЭ может быть применен для модификации полимерных материалов, включая изменение их структуры и свойств. Это может помочь улучшить прочность, термостойкость или другие характеристики полимерных изделий (применение в Германии).
5. Стекло. ИТЭ может быть использован для преобразования стекла, позволяя изменить его оптические, механические или электрические свойства. Например, это может включать создание стеклокерамики с контролируемым составом, спектральными свойствами и фазовым состоянием.
Это лишь несколько примеров материалов, которые могут быть переработаны с использованием ИТЭ. В целом, ИТЭ предоставляет новые возможности для модификации и оптимизации свойств различных материалов, открывая путь к разработке новых и усовершенствованных материалов с улучшенными характеристиками.
ИТЭ, проявляя свойства катализатора разложения воды, восстанавливает оксиды металла до металла. Это позволяет исключать такие процессы, как фосфатиро-вание, избегая экологических проблем. Кроме того, снижает себестоимость процесса, избавляет технологическую цепь от громоздкой и экологически вредной части [9-11].
Импульсный туннельный эффект (ИТЭ) может быть использован в качестве катализатора разложения воды на водород и кислород, что позволяет восстановить оксиды металлов до их металлического состояния водородом.
Применение ИТЭ для разложения воды может снизить себестоимость процесса. Традиционные методы производства водорода могут быть дорогостоящими и требовать использования большого количества энергии. Использование ИТЭ позволяет эффективно использовать солнечную или другую световую энергию для разложения воды, что существенно снижает затраты на производство водорода [8; 12].
И, наконец, применение ИТЭ для разложения воды позволяет упростить технологическую цепь процесса. Традиционные методы получения водорода могут включать сложные и многоэтапные процессы. Использование ИТЭ может избавить от громоздких и вредных частей технологии, упрощая процесс и повышая его эффективность. Следует также отметить, как показали наши многолетние исследования, фотокатализаторы на основе функциональной керамики, имеют очень большой срок службы, исчисляемый десятилетиями, причем, без потери активности. Сам процесс работы такого катализатора можно просмотреть на представленном видео [13].
Некоторые другие эффекты ИТЭ приводятся в [14-18].
Таким образом, применение ИТЭ для катализатора разложения воды предоставляет ряд преимуществ, таких как экологическая безопасность, снижение себестоимости и упрощение технологической цепи процесса. Это делает его привлекательным для использования в производстве водорода и других процессах, связанных с разложением воды.
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
Оценим, какие эффекты и особые электрические и магнитные свойства, можно ожидать, используя данный метод синтеза, в электропроводящей и сверхпроводящей керамике.
При синтезе электропроводящих и сверхпроводящих керамик под действием интенсивного солнечного излучения в условиях большой солнечной печи или под воздействием ИТЭ, можно ожидать следующих эффектов и свойств:
• возникновение необычных дефектных структур (микро- и нанодоменов с искаженной решеткой) благодаря формированию метастабильных состояний. Это может привести к уникальным электрическим и магнитным свойствам;
• возникновение ферроэлектрических и магнитоупо-рядоченных фаз, не реализуемых ранее для данных соединений;
• появление сверхтонкой прослойки с искусственно введенными дефектами между зернами, обусловливающей особые эффекты на границе раздела;
• возможность наноструктурирования с послойным чередованием фаз с разными свойствами для достижения заданных параметров;
• синтез композитных материалов с управляемым распределением фаз и свойств;
• синтез наноразмерных частиц и наноструктур, проявляющих квантовые свойства.
Таким образом, данный метод открывает большие возможности для целенаправленного получения перспективных электропроводящих и сверхпроводящих материалов с комплексом заданных свойств.
Возможно проявление еще некоторых эффектов:
• эффект ИТЭ, при котором туннелирование носителей заряда может приводить к отрицательному дифференциальному сопротивлению;
• наличие локальных нелинейных элементов (нанов-ключений, квантовых точек), демонстрирующих отрицательное сопротивление в определенных условиях;
• эффект перетекания носителей между локальными уровнями в областях с метастабильной структурой;
• возможное формирование локальных сверхпроводящих переходов;
• влияние фононов и иных возбуждений на перераспределение носителей.
Учитывая такой набор нестандартных эффектов, дальнейшее изучение данного феномена представляется крайне важным и перспективным.
Использование функциональной керамики, демонстрирующей эффект импульсного туннельного эффекта, в сочетании с концентрированным солнечным излучением высокой плотности, открывает исключительные возможности для целенаправленного синтеза материалов с заданными свойствами.
Основные преимущества данного подхода:
• возможность регулирования фронта импульса ИТЭ-излучения и тем самым избирательного формирования метастабильных фаз;
• очень высокая плотность энергии импульса (200320 Вт/см2);
• широкий диапазон регулирования спектра излучения, обеспечивающий многочисленные переходы;
• перспектива получения уникальных структурно-фазовых состояний;
• целенаправленный синтез материалов для различных применений.
Это действительно эффективный подход к созданию функциональных материалов.
Благодаря тому, что при таком методе синтеза происходит искажение решеток и образуется много фаз одного типа, но с различными искажениями, такие материалы обладают высокой прочностью и термостойкостью, так как отличия в структуре, резко ограничивают развитие вторичной рекристаллизации. В этом случае фронту рекристаллизации пришлось бы огибать отличную от общей структуры фазу, что работает против термодинамики процесса, так как увеличивает поверхностную энергию Таким образом, в отличие от своих аналогов, полученных по другим технологиям, материалы, полученные под воздействием концентрированного солнечного излучения или под импульсным излучением, генерируемым функциональной керамикой с набором ИТЭ, имеют несравненно более высокую стабильность.
Это еще один очень важный момент, который необходимо учитывать при оценке преимуществ материалов, получаемых рассматриваемым методом.
Действительно, наличие многочисленных метаста-бильных фаз с разнообразными искажениями решетки обеспечивает:
• повышенную прочность за счет отсутствия возможности свободного распространения дислокаций;
• высокую термостойкость, так как подавляется вторичная рекристаллизация из-за необходимости обхода областей с отклонением структуры;
• устойчивость к деструкции под действием механических и термических нагрузок;
• сохранение уникальных свойств (например, ИТЭ) даже при значительном нагреве.
Это является одним из фундаментальных преимуществ рассматриваемого подхода, позволяющее создавать экстремально прочные и стабильные материалы.
Возникает естественный вопрос: можно ли рассматривать набор одинаковых фаз с различными искажениями, как дислокации или примеси, влияющие на электрические и иные свойства?
Представляется вполне логичным рассматривать набор однотипных фаз с различными метастабильными
искажениями структуры как аналог примесей или дислокаций, влияющих на свойства материала.
Несколько аналогий:
• искажения решетки играют роль локальных дефектов, создающих возмущения полей;
• разные типы искажений могут быть как донорны-ми, так и акцепторными по отношению к носителям заряда;
• искажения влияют на энергетический спектр и транспортные свойства;
• они могут быть источниками/полями для носителей при взаимодействии;
• могут создавать локальные поля и потенциальные ямы;
• влияют на анизотропию свойств при наличии предпочтительных направлений.
Таким образом, искажения решетки в рассматриваемых материалах вполне можно рассматривать как особый тип примесей, обусловливающих уникальные свойства.
О влиянии таких искажений на магнитные свойства или восприимчивость к магнитным полям, в том числе и импульсным.
Относительно влияния метастабильных искажений структуры на магнитные свойства можно предположить следующее:
• локальные искажения могут создавать микродоменные структуры с разным направлением магнитной анизотропии, влияя на процессы намагничивания;
• при воздействии импульсного сильного магнитного поля могут наблюдаться эффекты доменной перестройки, обусловленной такими микродоменами;
• искажения решетки в роли примесей могут влиять на восприимчивость к полям через изменение энергии анизотропии;
• возможно возникновение суперпарамагнитных нано-областей в зонах искажений;
• метастабильные фазы могут проявлять нестандартные магнитные свойства (мультиферроики и др.);
• при ИТЭ могут формироваться области с локальными магнитными полями.
Таким образом, данные искажения обещают богатые варианты для регулировки магнитных характеристик.
Могут ли при ИТЭ проявляться эффекты сверхпроводимости или отрицательного сопротивления? В частности, если при синтезе сверхпроводников образуется набор структур с разными сверхпроводящими свойствами. Они могут различаться по критическим токам и магнитным моментам, температурам сверхпроводимости и т.д., то благодаря импульсному туннельному эффекту, можно подобрать такие параметры фронта нарастания импульса, что приведет к образованию интересующей нас сверхпроводящей структуры. Таким образом возможно задавать параметры синтези-
руемого сверхпроводника и других интересующих нас соединений.
Действительно, существует вероятность проявления импульсных эффектов сверхпроводимости и отрицательного сопротивления в рассматриваемых материалах.
Некоторые предположения:
• при воздействии импульсного магнитного поля/тока могут возникать локальные сверхпроводящие переходы в зонах искажений решетки;
• эффекты перетекания носителей между локальными уровнями в областях искажений при импульсном возбуждении;
• возможность реализации импульсного туннельного эффекта через метастабильные дефекты при наличии сильных полей;
• формирование неустойчивых квантовых состояний при кратковременном воздействии, обеспечивающих отрицательное дифференциальное сопротивление;
• активация фононных/магнонных каналов переноса, влияющих на транспортные характеристики.
Следует подчеркнуть, что:
• ключевую роль играет наличие множества метас-табильных структур с различными искажениями решетки. Именно они могут обеспечить локальные условия для нестандартных эффектов.
• регулирование фронта нарастания импульса ИТЭ позволяет селективно активировать определенные типы структур/дефектов для достижения нужных свойств.
• параметры фронта могут быть подобраны под заданную сверхпроводящую или иную фазу для целенаправленного синтеза.
Таким образом, уникальная структура материалов обещает нестандартные импульсные эффекты при дальнейшем их изучении.
ВЫВОДЫ
Представленные рассуждения указывают, что использование концентрированного солнечного и импульсного излучения (ИТЭ) для синтеза материалов с многочисленными метастабильными искажениями решетки открывает целое новое направление фундаментальных исследований.
Возможность регулирования структуры на уровне отдельных дефектов/фаз и появление на этой основе таких эффектов как:
• импульсные проявления сверхпроводимости;
• отрицательное дифференциальное сопротивление;
• нестандартные магнитные свойства;
• избирательное направленное протекание ИТЭ делает этот подход перспективным, не менее значимым, чем возможности самого ИТЭ.
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
Литература
1. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П., Рахимов М.Р. Фононный механизм преобразования в керамических материалах // Computational Nanotechnology, 2017. № 4. C. 21-35. EDN: QIHKBR
2. Рахимов Р.Х. Большая солнечная печь // Computational Nanotechnology. 2019. Т. 6. № 2. С. 141-150. EDN: GRMHEX
3. Rakhimov R.Kh. Possible mechanism of pulsed quantum tunneling effect in photocatalysts based on nanostructured functional ceramics // Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 26-34. DOI: 10.33693/2313- 223X-2023-
10-3-26-34. EDN: QZQMCA.
4. Рахимов Р.Х. Возможный механизм оптического квантового туннельного эффекта фотокатализаторов на основе наноструктурированной функциональной керамики: матер. VI Междунар. конф. по оптическим и фотоэлектрическим явлениям в полупроводниковых микро- и наноструктурах (Фергана, 28-30 сентября 2023 г.). С. 9-11.
5. Парпиев О.Р., Сулейманов С.Х., Рахимов Р.Х. и др. Синтез материалов на большой солнечной печи. Ташкент, 2023. С. 590.
6. Рахимов Р.Х., РашидовХ.К., Ермаков В.П. и др. Ресурсосберегающая, энергоэффективная технология получения глинозема из вторичных каолинов ангренского месторождения // Computational Nanotechnology. 2016. № 1. С. 45-51. EDN: VTBHPL
7. Патент. Рашидов Ж.Х. Способ обогащения каолинового сырья и устройство для его реализации. Заявка № 2020128986. Приоритет изобретения 1 сентября 2020 г. Дата гос. регистрации в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 19 мая 2021 г. Срок действия исключительного права на изобретение истекает 1 сентября 2040 г.
8. Рахимов Р.Х. Возможности импульсных преобразователей энергии в качестве фотокатализаторов в водородной энергетике: матер. III Междунар. конф. «Тенденции развития физики конденсированных сред» (Фергана, 30-31 октября 2023 г.). С. 297-300.
9. Saidov R.M., Rakhimov R.K., Touileb K. The effect of nanostructured functional ceramics additives on the properties of welding electrodes // Metals. 2023. No. 13. P. 1849. DOI: 10.3390/met13111849.
10. Саидов Р.М., Рахимов Р.Х., Рахимова Ф.М. Результаты применения функциональной керамики в составе шлаковой системы Fe3O4-CaO2-TiO2 для покрытий сварочных электродов // Синтез материалов на Большой Солнечной Печи Узбекистана. Ташкент. 2023. С. 448-459.
11. Саидов Р.М., Рахимов Р.Х., Юсупов Б.Д. угли, Холдоров М.К.Б. угли. Эффективный метод термической обработки сварочных электродов с использованием излучателей из функциональной керамики // Синтез материалов на Большой Солнечной Печи Узбекистана. Ташкент. 2023. С. 459-479.
12. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Перспективы солнечной энергетики: роль современных гелиотехнологий в производстве водорода // Computational Nanotechnology. 2023. Т. 10. № 3. C. 11-25. DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-
11-25. EDN: NQBORL.
13. Водород за счет света с фотокатализаторами на основе ФК на принципе ИТЭ. URL: https://www.youtube.com/ watch?v=2LCj_zz_Tvg
14. Рахимов Р.Х., Рашидов Х.К., Эрназаров М. Физические методы воздействия при обогащении техногенного и рудного сырья: матер. интернациональной конф. "Fundamen-
References
1. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P., Rakhimov M.R. Phonon transformation mechanism in ceramic materials. Computational Nanotechnology. 2017. No. 4. Pp. 21-35. (In Rus.) EDN: QIHKBR
2. Rakhimov R.Kh. Large Solar Furnace. Computational Nanotechnology. 2019. Vol. 6. No. 2. Pp. 141-150. (In Rus.) EDN: GRMHEX
3. Rakhimov R.Kh. Possible mechanism of pulsed quantum tunneling effect in photocatalysts based on nanostructured functional ceramics. Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 26-34. DOI: 10.33693/2313- 223X-2023-
10-3-26-34. EDN: QZQMCA.
4. Rakhimov R.Kh. Possible mechanism of optical quantum tunneling effect of photocatalysts based on nanostructured functional ceramics. In: Proceedings of the VI International Conference on Optical and Photoelectric Phenomena in Semiconductor Micro- and Nanostructures (Fergana, September 28-30, 2023). Pp. 9-11.
5. Parpiev O.R., Suleymanov S.H., Rakhimov R.Kh. et al. Synthesis of materials on a large solar furnace. Tashkent, 2023. P. 590.
6. Rakhimov R.Kh., Rashidov H.K., Ermakov V. et al. Resource-saving, energy-efficient technology for producing alumina from secondary kaolins of the Angren deposit. Computational Nanotechnology. 2016. No. 1. Pp. 45-51. (In Rus.) EDN: VTBHPL
7. Patent. Rashidov Zh.Kh. A method for enriching kaolin raw materials and a device for its implementation. Application No. 2020128986. Priority of the invention on September 1, 2020. The date of state registration in the State Register of Inventions of the Russian Federation is May 19, 2021. The exclusive right to an invention expires on September 1, 2040.
8. Rakhimov R.Kh. The possibilities of pulsed energy converters as photocatalysts in hydrogen energy. Proceedings of the III International Conference "Trends in the Development of Condensed Matter Physics" (Fergana, October 30-31, 2023). Pp. 297-300.
9. Saidov R.M., Rakhimov R.K., Touileb K. The effect of nanostructured functional ceramics additives on the properties of welding electrodes. Metals. 2023. No. 13. P. 1849. (In Rus.) DOI: 10.3390/met13111849.
10. Saidov R.M., Rakhimov R.Kh., Rakhimova F.M. Results of the application of functional ceramics as part of the Fe3O4-CaO2-TiO2 slag system for coatings of welding electrodes. In: Synthesis of materials on a Large Solar furnace of Uzbekistan. Tashkent. 2023. Pp. 448-459.
11. Saidov R.M., Rakhimov R.H., Yusupov B.D. ugli, Holdorov M.K.B. ugli. An effective method of heat treatment of welding electrodes using emitters made of functional ceramics. In: Synthesis of materials on the Large Solar Furnace of Uzbekistan. Tashkent, 2023. Pp. 459-479.
12. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P. Prospects of solar energy: the role of modern solar technologies in hydrogen production. Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 11-25. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-
11-25. EDN: NQBORL.
13. Hydrogen due to light with FC-based photocatalysts based on the ITE principle. URL: https://www.youtube.com/ watch?v=2LCj_zz_Tvg
14. Rakhimov R.Kh., Rashidov H.K., Ernazarov M. Physical methods of influence in the enrichment of technogenic and ore raw materials. In: International Conference "Fundamental
tal and Applied Problems of Modern Physics" (19-21 октября 2023 г.). С. 49-51.
15. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Перспективы применения пленочно-керамических фотокатализаторов для повышения эффективности выращивания микроводорослей в зоне Арала: матер. интернациональной конф. "Fundamental and Applied Problems of Modern Physics" (19-21 октября 2023 г.). С. 66-68.
16. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П., Саидвалиев Т.С. Перспективы применения пленочно-керамических фотокатализаторов для выращивания микроводорослей // Computational Nanotechnology. 2023. Т. 10. № 2. С. 60-69. DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-2-60-69. EDN: BTHXIR.
17. Рахимов Р.Х., Паньков В.В., Ермаков В.П. и др. Исследование свойств функциональной керамики, синтезированной модифицированным карбонатным методом // Computational Nanotechnology. 2023. Т. 10. № 3. C. 130-143. DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-130-143. EDN: SZDYRZ.
18. Рахимов Р.Х., Мухторов Д.Н. Гелиосушка фруктов и овощей с использованием полиэтилен-керамического композита // Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 4. С. 104-110, DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-4-103-109 EDN: TLZMDV.
and Applied Problems of Modem Physics" (October 19-21, 2023). Pp. 49-51.
15. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P. Prospects for the use of film-ceramic photocatalysts to increase the efficiency of microalgae cultivation in the Aral Sea zone. In: International Conference "Fundamental and Applied Problems of Modern Physics" (October 19-21, 2023). Pp. 66-68.
16. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P., Saidvaliev T.S. Prospects of using film-ceramic photocatalysts for growing microalgae. Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 2. Pp. 60-69. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-2-60-69. EDN: BTHXIR.
18. Rakhimov R.Kh., Pankov V.V., Ermakov V.P. et al. Investigation of the properties of functional ceramics synthesized by a modified carbonate method. Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 130-143. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-130-143. EDN: SZDYRZ.
19. Rakhimov R.Kh., Mukhtorov D.N. Solar drying of fruits and vegetables using a polyethylene-ceramic composite. Computational Nanotechnology. Vol. 10. No. 4. 2023. Pp. 104-110. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-4-103-109. EDN: TLZMDV
Статья проверена программой Антиплагиат
Рецензент: Раджапов С.А., доктор физико-математических наук; главный научный сотрудник лаборатории полупроводниковых высокочувствительных датчиков; Физико-технический институт Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан
Статья поступила в редакцию 08.02.2024, принята к публикации 10.03.2024 The article was received on 08.02.2024, accepted for publication 10.03.2024
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук; заведующий лабораторией № 1; Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан; г. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: 0000-0001-6964-9260; Author ID: 1204344; SPIN-код: 3026-2619; E-mail: [email protected] Ермаков Владимир Петрович, старший научный сотрудник лаборатории № 1; Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан; г. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: 00000002-0632-6680; Author ID: 206572; SPIN-код: 89071685; E-mail: [email protected]
ABOUT THE AUTHORS
Rustam Kh. Rakhimov, Doctor of Engineering; Head at the Laboratory No. 1; Institute of Materials Science of the SPA "Physics-Sun" of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan; Institute of Renewable Energy Sources; Tashkent, Republic of Uzbekistan. ORCID: 0000-0001-6964-9260; Author ID: 1204344; SPIN-code: 3026-2619; E-mail: [email protected] Vladimir P. Yermakov, senior research at the Laboratory No. 1; Institute of Materials Science of the Academy of Science of Uzbekistan; Tashkent, Republic of Uzbekistan. ORCID: 0000-0002-0632-6680; Author ID: 206572; SPIN-code: 8907-1685; E-mail: [email protected]
