Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

СТРУКТУРНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕРОЯТНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ФРАГМЕНТОВ И СТРУКТУР КВАЗИКРИСТАЛЛОВ И АПЕРИОДИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ

Иванов В.В. 1
1 AO ОКТБ «ОРИОН»
Обсуждаются особенности структурных состояний вероятных наноразмерных фрагментов и структур квазикристаллов и апериодических структур кристаллов. Сформулированы принципы модулярного строения возможных наноразмерных фрагментов, на основе которых могут быть получены наноструктуры, структуры квазикристаллов и апериодических кристаллов. Проанализированы вероятные структурные состояния поверхности и объема материалов, учитывающие кристаллическую и наноразмерную компоненты. Представлены разновидности состояний трехмерных структур кристаллов, квазикристаллов и кристаллов с апериодическими структурами (r1 r2 r3), двумерных (r1 r2 n3), одномерных (r1 n2 n3) и нульмерных наноструктур (n1 n2 n3). Сформулированы принципы формирования наноразмерных состояний детерминистических модулярных структур.
модулярная структура
кристалл
квазикристалл
апериодическая структура кристалла
наноструктура
структурные состояния
1. Иванов В.В., Таланов В.М., Гусаров В.В. // Наносистемы: Физика, Химия, Математика, 2011. – Т. 2, № 3. – С. 121–134.
2. Иванов В.В., Таланов В.М. // Наносистемы: Физика, Химия, Математика, 2010. – Т. 1, № 1. – С. 72–107.
3. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – № 7. – С. 96–99.
4. Беспалова Ж.И., Смирницкая И.В., Иванов В.В., и др. // Журн. прикладной химии, 2010. – Т. 83. – Вып. 2. – С. 244–248.
5. Иванов В.В., Арзуманова А.В., Балакай И.В., Балакай В.И. // Журн. прикладной химии, 2009. – Т. 82. – Вып. 5. – С. 797–802.
6. 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», 2006. – 112 с.
7. Щербаков И.Н. Иванов В.В. и др. Химическое наноконструирование композиционных материалов и покрытий с антифрикционными свойствами. – Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки», 2011. – 132 с.
8. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В. и др. // Соврем. наукоемкие технологии. 2013. – № 5. – С. 21–24.
9. Иванов В.В. // Междунар. журнал прикладных и фундаментальных исследований, 2013. – № 10(3). – С. 493.
10. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В. и др. // Соврем. наукоемкие технологии. 2013. – № 4. – С. 26–29.
11. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В. и др. // Соврем. наукоемкие технологии. 2013. – № 4. – С. 30–33.
12. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В. и др. // Соврем. наукоемкие технологии. 2013. – № 5. – С. 25–28.
13. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2013. – № 7. – С. 82–84.
14. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2013. – № 7 – С. 85–87.
15. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2013. – № 8 – С. 131–133.
16. Иванов В.В. // Междунар. науч.-иссл. журнал = Research Journal of International Studies, 2013. – № 8–1. – С. 65–66.
17. Ivanov V.V. // International journal of experimental education, 2014. – № 4. – Part 2. – С. 58–59.
18. Ivanov V.V. // International journal of experimental education, 2014. – № 4. – Part 2. – С. 59–60.
19. Балакай В.И., Иванов В.В. // Евразийский Союз Ученых / Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). – М., 2014. – № 7. – Часть 1. Технические науки. – С. 60–61.
20. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – № 7. – С. 93–95.
21. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – № 7. – С. 126–128.
22. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – № 9. – С. 92–97.
23. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – № 12. – С. 79–84.
24. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – № 12(2). – С. 90–93.
25. Ivanov V.V., Talanov V.M. // Crystallography Reports, 2013. – V. 58. – № 3. – Р. 383–392.
26. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – № 4. – С. 105–108.
27. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – № 5. – С. 146–149.
28. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – № 7. – С.121–123.
29. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – № 7. – С. 124–125.
30. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – № 12. – С. 84–90.
31. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – № 12(2). – С. 94–97.
32. Заморзаев А.М. Теория простой и кратной антисимметрии. – Кишинев: Штиинца, 1976. – 283 с.
33. Levine D., Steinhardt P.J. // Phys. Rev. B., 1986. – V. 34, № 2. – P. 596–616.
34. Socolar J.E.S., Steinhardt P.J. // Phys. Rev. B., 1986. – V. 34, № 2. – P. 617–647.
35. Janot Ch., Dubois J.-M., De Boissien M. // Am. J. Phys., 1989. – V. 57, № 11. – P. 972–987.
36. Steurer W. // Z. Krist., 1990. – V. 190. – Р. 179–234.
37. Mackay A.L. // J. Non-Crystalline Solids, 1987. – V. 97/98. – P. 55–62.

В работах [1, 2] с учетом принципа модулярного строения наноструктур рассмотрены вопросы выбора модуля для модулярного дизайна и алгоритм комбинаторного моделирования вероятных модулярных структур. В качестве структурного модуля предложены совокупности атомов, расположенные в n вершинах полигонов (где n = 3 – 6, 8, 10, 12), или полиэдров, грани которых представляют собой вышеперечисленные полигоны или их комбинации.

Сформулируем принципы модулярного строения возможных наноструктурных фрагментов, на основе которых могут быть выведены наноструктуры, структуры квазикристаллов и апериодических кристаллов. Сформулируем принципы формирования наноразмерных состояний детерминистических модулярных структур и проанализируем вероятные состояния поверхности и объема материалов, учитывающие кристаллическую и наноразмерную компоненты.

Принципы формирования модулярных наноструктурных состояний

Для структурных состояний с максимальным количеством наноразмерных компонент в [3] сформулированы следующие принципы формирования наноразмерных состояний.

Принцип модулярного строения наноструктур: любая наноструктура может быть представлена из одинаковых модулей или ограниченного набора разных модулей, строение и форма которых содержит структурную информацию о самой наноструктуре.

Принцип иерархии модулей наноструктур: наноструктура может быть представлена как модулярная из своих структурных фрагментов или модулей (в частности, из нульмерных модулей-нанообъектов).

Принцип детерминистичности множества полученных локальных наноструктур в структурированном пространстве: упорядоченное множество идентичных локальных наноструктур, полученных из нанообъектов в одинаковых ячейках пространства, представляет собою детерминистическую наноструктуру.

Принцип структурной совместимости разносортных нанообъектов для получения соответствующего разбиения. В результате дизъюнктного объединения множеств нанообъектов разного сорта внутри каждой ячейки происходит их полное или частичное упорядочение, а образующаяся детерминистическая наноструктура характеризуется соразмерными с параметрами ячеек периодами идентичности.

Принцип ограниченного роста локальных наноструктур при усложнении их состава: с увеличением числа сортов структурно совместимых нанообъектов локальная наноструктура ограниченно эволюционирует из ячейки в окружающее ячеистое пространство.

Сформулированные принципы были использованы при интерпретации свойств поверхности композиционных покрытий [4–19].

Структурные состояния

Структурные состояния в ячейке структурированного 3D пространства определяются кристаллическими компонентами r модулярной структуры с помощью дискретной {ti}или непрерывной группы трансляций {ti} (i = 1, 2, 3), ее возможными наноразмерными n компонентами с помощью дискретной группы трансляций {ti} нанообъектов. В работах [20–31] получены основные разновидности классов структурных состояний локальной транзитивной области структурированного пространства с кристаллической и наноразмерной компонентами: состояния трехмерных структур кристаллов, квазикристаллов и кристаллов с апериодическими структурами (r1 r2 r3), двумерных (r1 r2 n3), одномерных (r1 n2 n3) и нульмерных наноструктур (n1 n2 n3).

Структурные состояния (r1 r2 r3). Симметрия кристаллических структур может описываться не только пространственными группами класса G33 (R33-структуры), но и группами симметрии, которые учитывают отсутствие периодичности в расположении модулей в одном (3D дважды периодические группы G23 для R32-структур, слоевые группы) или в двух независимых направлениях (3D однопериодические группы G31 для R31-структур, группы стержней) [52 – 56]. Для описания симметрии локальных R30-структур используются 3D апериодические группы G30 , точечные группы. Перечислим возможные виды состояний элементов этого класса модулярных Rrrr3-структур:

(r r r) – 3D-кристалл из атомных цепочек, слоев,

(r r rn) – 3D-кристалл из 1D-нанофрагментов,

(r r rf) – 3D-кристалл из 1D локальных фракталов,

(r rn rn) – 3D-кристалл из 2D наноразмерных частиц,

(r rn rf) – 3D-кристалл из 1D-нанофрагментов и 1D локальных фракталов,

(r rf rf) – 3D-кристалл из локальных 2D фракталов,

(rn rn rn) – 3D-кристалл из наноразмерных частиц,

(rn rn rf) – 3D-кристалл из 2D-нанофрагментов и 1D локальных фракталов,

(rn rf rf) – 3D-кристалл из локальных наноразмерных 2D фракталов,

(rf rf rf) – 3D-кристалл из локальных 3D фракталов.

Факт существования апериодических (несоразмерных) кристаллов и квазикристаллов [33–37] требует использовать более точное понимание периодичности n в Rmn–структурах. Нарушение закона упаковки асимметричных модулей в модулярной структуре или их разупорядоченность могут быть связаны в общем случае с возникновением как позиционной так и ориентационной разупорядоченности. Формально позиционную упорядоченность nS и ориентационную упорядоченность nO можно рассматривать как две независимые компоненты периодичности n. В связи с этим вместо Rmn–структур можно рассматривать Rm(S,O)-структуры. Структуры вида R3(3, 3) эквивалентны R33-структурам. Структуры R3(3, no) (где nO = 2, 1, 0) и R3(ns, 3) (где nS = 2, 1, 0) можно объединить в группу апериодических структур (1D, 2D и 3D, соответственно). Однако R3(3, no)-структуры, которые характеризуются позиционной упорядоченностью модулей, должны обладать кристаллографической симметрией – симметрией Федоровских групп G33, даже если локальная симметрия модуля не является кристаллографической. Структуры вида R3(ns, 3) (при значениях nS < 3) формально могут считаться несоразмерными. Известные 1D, 2D и 3D квазикристаллы [33–37] могут быть отнесены к модульным структурам вида R3(2, 1), R3(1, 2) и R3(0, 3) соответственно.

Структурные состояния (r1 r2 n3). Из 16-ти разновидностей структурных состояний локальной области структурированного 3D пространства 6 состояний реализуются только из двух ориентационно независимых кристаллических компонент. Варианты описания симметрии R3(S,O)-структур с этими состояниями существенно зависят от вида и способа реализации третьей компоненты. Для описания симметрии детерминистических R3(S,O)(r1 r2 n3)-структур с определенной ориентационной и позиционной упорядоченностью высоко симметричных нанообъектов могут быть использованы группы G33. Если нанообъекты низко симметричны и ориентационно или позиционно разупорядочены в структурах вида R3(3, 2) или R3(2, 3), то симметрия их описывается с помощью пространственных G33 или слоевых групп G32 (слоевые гр. G32, ленточные гр. G32,1, точечные слоевые гр. G32,0, точечные ленточные гр. G32,1,0). Перечислим возможные виды состояний элементов этого класса модулярных Rrrn3-структур:

(r r n) – 3D структура из упорядоченных цепочек нанообъектов в 2D пространстве,

(r r nr) – 3D структура из упорядоченных цепочек кристаллических нанообъектов в 2D пространстве,

(r r nf) – 3D структура из упорядоченных цепочек фрактальных нанообъектов в 2D пространстве,

(r rn n) – 3D структура из 1D-фрагментов нанообъектов,

(r rn nr) – 3D структура из 1D-фрагментов кристаллических нанообъектов,

(r rn nf) – 3D структура из 1D-фрагментов фрактальных нанообъектов,

(r rf n) – 3D структура из нанообъектов, упорядоченных по f- и r-закону,

(r rf nr) – 3D структура из кристаллических нанообъектов, упорядоченных по f- и r-закону,

(r rf nf) – 3D структура из фрактальных нанообъектов, упорядоченных по f- и r-закону,

(rn rn n) – 3D структура из 1D-фрагментов нанообъектов, упорядоченных в 2D пространстве,

(rn rn nr) – 3D структура из 1D-фрагментов кристаллических нанообъектов, упорядоченных в 2D пространстве,

(rn rn nf) – 3D структура из 1D-фрагментов фрактальных нанообъектов, упорядоченных в 2D пространстве,

(rn rf n) – 3D структура из нанообъектов, упорядоченных по f-закону в 1D пространстве,

(rn rf nr) – 3D структура из кристаллических нанообъектов, упорядоченных по f-закону в 1D пространстве,

(rn rf nf) – 3D структура из фрактальных нанообъектов, упорядоченных по f-закону в 1D пространстве,

(rf rf n) – 3D структура из нанообъектов, упорядоченных по f-закону в 2D пространстве,

(rf rf nr) – 3D структура из кристаллических нанообъектов, упорядоченных по f-закону в 2D пространстве,

(rf rf nf) – 3D структура из фрактальных нанообъектов, упорядоченных по f-закону в 2D пространстве.

Структурные состояния (r1 n2 n3). В локальной области структурированного 3D пространства только 6 разновидностей структурных состояний реализуются из двух некристаллических компонент. Для описания симметрии R3(3,О)(r1 n2 n3)-структур с определенной ориентационной и позиционной упорядоченностью высоко симметричных нанообъектов могут быть использованы группы G33 . Если нанообъекты низко симметричны и ориентационно или позиционно разупорядочены в структурах вида R3(3, 1) или R3(1, 3), то симметрия их описывается с помощью пространственных G33 или стержневых групп G31 (стержневые гр. G31, точечные стержневые гр. G31,0), соответственно. В случае реализации частичной упорядоченности в R3(S,O)-, R2(S,O)- и R1(S,O)-структурах, т.е. при значениях параметров S и O ≤ 2, для описания используются соответствующие группы классов симметрии: R2(2, 2), R2(2, 1) и R2(2, 0) (плоские гр. G22), R2(1, 2) (гр. бордюров G21, точечные гр. бордюров G21,0), R1(1, 1) и R1(1, 0) (линейные гр. G11), R2(0, 2) (точечные 2D гр. или розеточные гр. G20), R1(0, 1) (точечные 1D гр. G10) и R0(0, 0) (точечные 0D гр. G00). Перечислим возможные виды состояний элементов этого класса модулярных Rrnn3-структур:

(r n n) – 3D структура из упорядоченных 2D наночастиц,

(r n nr) – 3D структура упорядоченных 2D нанофрагментов структуры,

(r n nf) – 3D структура из упорядоченных 2D локальных фракталов,

(r nr nr) – 3D структура из упорядоченного 2D нанофрагмента структуры,

(r nr nf) – 3D структура из упорядоченного нанообъекта из 1D-фрагмента структуры и 1D локального фрактала,

(r nf nf) – 3D структура из упорядоченного 2D локального фрактала,

(rn n n) – 3D структура из 2D наночастиц и упорядоченных в 1D пространстве нанофрагментов,

(rn n nr) – 3D структура из 1D наночастиц и 1D нанофрагментов структуры, упорядоченных в 1D пространстве,

(rn n nf) – 3D структура из 1D наночастиц и 1D локальных фракталов, упорядоченных в 1D пространстве нанофрагментов,

(rn nr nr) – 3D структура из 2D нанофрагментов структуры, упорядоченных в 1D пространстве,

(rn nr nf) – 3D структура из 1D нанофрагментов структуры и 1D локального фрактала, упорядоченных в 1D пространстве,

(rn nf nf) – 3D структура из 2D локальных фракталов, упорядоченных в 1D пространстве нанофрагментов,

(rf n n) – 3D структура из 2D наночастиц, упорядоченных в 1D пространстве по f-закону,

(rf n nr) – 3D структура из 1D наночастиц и 1D нанофрагментов структуры, упорядоченных в 1D пространстве по f-закону,

(rf n nf) – 3D структура из 1D наночастиц и 1D локальных фракталов, упорядоченных в 1D пространстве по f-закону,

(rf nr nr) – 3D структура из 2D нанофрагментов структуры, упорядоченных в 1D пространстве по фрактальному закону,

(rf nr nf) – 3D структура из 1D нанофрагментов структуры и 1D локального фрактала, упорядоченных в 1D пространстве по f-закону,

(rf nf nf) – 3D структура из 2D локальных фракталов, упорядоченных в 1D пространстве по f-закону.

Структурные состояния (n1 n2 n3). Из 10-ти классов вероятных структурных состояний класс (n n n)) характеризует возможные структурные состояния, включающие в себя в основном только наноразмерную компоненту. Симметрия детерминистических модулярных структур Rnnn3 может описываться пространственными G33 , слоевыми G32, стержневыми G31, точечными G30 группами [20, 32]. Перечислим возможные виды состояний элементов наноразмерного класса, из которых могут быть получены модулярные Rnnn3-структуры:

(n n n) – 3D-наночастица,

(n n nr) – 3D-нанообъект из 1D-фрагмента структуры,

(n n nf) – 3D-нанообъект из 1D локального фрактала,

(n nr nr) – 3D- нанообъект из 2D нанофрагментов структуры,

(n nr nf) – 3D-нанообъект из 1D-фрагмента структуры и 1D локального фрактала,

(n nf nf) – 3D-нанообъект из 2D локальных фракталов,

(nr nr nr) – 3D-нанообъект из 3D-нанофрагментов структуры,

(nr nr nf) – 3D-нанообъект из 2D-нанофрагмента структуры и 1D локального фрактала,

(nr nf nf) – 3D-нанообъект из 1D-нанофрагмента структуры и 2D локального фрактала,

(nf nf nf) – 3D локальный фрактал.

Отметим, что все элементы последних трех разновидностей структурных состояний (2D-наноструктуры с состояниями (r1 r2 n3), 1D-наноструктуры с состояниями (r1 n2 n3) и 0D-наноструктуры с состояниями (n1 n2 n3)) предназначены для получения разных типов детерминистических модулярных структур в процессе заполнения ячеек структурированного 3D пространства.

Выводы

Сформулированы принципы модулярного строения возможных наноструктурных фрагментов, на основе которых могут быть получены наноструктуры, структуры квазикристаллов и апериодических кристаллов. Проанализированы вероятные структурные состояния поверхности и объема материалов, учитывающие кристаллическую и наноразмерную компоненты. Представлены разновидности состояний трехмерных структур кристаллов, квазикристаллов и кристаллов с апериодическими структурами (r1 r2 r3), двумерных (r1 r2 n3), одномерных (r1 n2 n3) и нульмерных наноструктур (n1 n2 n3). Сформулированы принципы формирования наноразмерных состояний детерминистических модулярных структур.


Библиографическая ссылка

Иванов В.В. СТРУКТУРНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕРОЯТНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ФРАГМЕНТОВ И СТРУКТУР КВАЗИКРИСТАЛЛОВ И АПЕРИОДИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 8-5. – С. 896-899;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=7267 (дата обращения: 01.03.2021).

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