Сотрудниками отдела математического моделирования и кафедры радиотехники и электродинамики СГУ совместно с зарубежными коллегами получены оригинальные результаты в области in silico исследований взаимодействия между углеродными наноструктурами, которые опубликованы в известных научных журналах Physical Review B и Chemical Physics.

Статья Casimir forces between two carbon nanotubes, вышедшая в журнале Physical Review B, посвящена численной оценке сил Казимира между двумя параллельными и бесконечно протяженными углеродными нанотрубками. Такие структуры часто встречаются во многих приложениях физики конденсированных сред и электроники, в том числе в различных микромеханических и микрофлюидных устройствах. При переходе к субмикронным масштабам материалов важную роль играют силы Казимира, вызванные флуктуациями электромагнитного поля в вакууме. Расчет сил Казимира для структур с произвольными геометрическими параметрами представляет собой актуальную научную задачу, для решения которой важно выбрать корректный с физической точи зрения подход. Сотрудниками отдела математического моделирования совместно с учеными Университета Барселоны применялся метод, основанный на вычислении функций Грина и электромагнитных корреляторов с использованием флуктуационно-диссипативной теоремы для токов. Такой подход позволяет оценить силу Казимира для произвольных значений расстояний между двумя нанотрубками. Расчеты проводились для нанотрубок zigzag с индексами хиральности (m, 0), где m = 3s, s – целое число.  Исследователями установлено, что сила Казимира возрастает в интервале 20-100 нН/м с увеличением радиуса нанотрубок от 0,31 до 0,7 нм при фиксированном расстоянии между нанотрубками 20 нм и времени релаксации поверхностной проводимости 10^-13 с. С увеличением расстояния между нанотрубками до 200 нм сила Казимира экспоненциально убывает независимо от диаметра трубок. Следует отметить, что в рамках данного исследования сила Казимира впервые оценивалась на средних и длинных расстояниях, где важную роль играют эффекты замедления.   

Со статьей можно познакомиться на сайте изд-ва American Physical Society:

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.104.085409

Статья New effect of strong oscillation and anisotropy of electrical conductance in graphene films with vertically aligned carbon nanotubes and monolayer pillared graphene films, опубликованная в журнале Chemical Physics, посвящена изучению гибридных пленок с вертикально ориентированными углеродными нанотрубками, которые ковалентно связанны с графеном (колонный графен). С помощью метода неравновесных функций Грина-Келдыша с использованием формализма Ландауэра-Буттикера исследовались особенности квантового транспорта электронов в графеновых пленках при послойном выращивании углеродных нанотрубок в отверстия графенового монослоя. Для этих структур установлена сильная анизотропия электропроводности: в направлении кресельного края монослоя графена величина электропроводности в 3–7 раз больше, чем в направлении зигзагообразного края. Совместно с коллегами из Института экспериментальной физики Словацкой академии наук был обнаружен новый физический эффект осцилляции электропроводности в направлении кресельного края при постепенном наращивании длины нанотрубки в отверстии монослоя графена атомными слоями. При этом максимальные значения электропроводности наблюдаются для топологических моделей гибридных пленок, в которых атомные каркасы нанотрубок характеризуются наличием полной сети Клары, включающей пояса гексагонов с циклической делокализацией электронов (количество атомных слоев нанотрубки кратно трем). Обнаруженный физический эффект свидетельствует о том, что максимальное значение электропроводности в направлении кресельного края может быть достигнуто даже при небольшой длине нанотрубки, содержащей всего 6 атомных слоев (~ 0,62 нм). Таким образом, на основании полученных результатов авторы выдвигают предположение, что, регулируя длину углеродных нанотрубок, можно управлять проводящими свойствами пленок колонного графена.

Со статьей можно познакомиться на сайте изд-ва Elsevier:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0301010421002238

Обе работы выполнены при поддержке гранта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Проект гос. задания № FSRR-2020-0004).

Рис. 1. Распределение локальной плотности электронных состояний по атомам и графики функции пропускания T(E) для пленок колонного графена с нанотрубкой длиной в 15 атомных слоев.

Рис. 2. Электропроводность графеновых пленок с нанотрубками, выращенными в отверстии монослоя графена с разным числом атомных слоев в нанотрубке, в направлениях токопереноса вдоль зигзагообразного края графена (X) и кресельного края (Y).