Науково-дослідна робота кафедри фізики функціональних матеріалів

 

Метою вивчення фізики функціональних матеріалів на кафедрі є створення, визначення властивостей та застосування широкого класу матеріалів для розробки новітніх нанотехнологій в галузі енергетики та медицини.

Наукові дослідження таких матеріалів зосереджені на встановленні механізмів радіаційної модифікації кристалічної структури, фазових перетворень, електронних, оптичних та фізико-механічних властивостей вуглецевих наноматеріалів та їх полімерних композитів і розчинів з лікарськими препаратами протипухлинної дії, спінтранспорту для створення ефективних елементів сонячної енергетики на основі органічних напівпровідників, фото-каталітичних нанооксидів для знешкоджування забруднень оточуючого середовища, електропровідних полімерних нано-композитів, функціональних матеріалів новітньої комп’ютерної техніки та спінової електроніки на основі сполук графену.

Професором Репецьким С.П. розвинено оригінальні методи розрахунку спектрів елементарних збуджень та властивостей невпорядкованих систем. Методи ґрунтуються на кластерному розкладі для функцій Гріна та термодинамічного потенціалу системи електронів і фононів невпорядкованого кристалу. На основі зазначеного підходу розвинено теорію спін-залежного транспорту в магнітних матеріалах, енергетичного спектру та електронних властивостей вуглецевих нанотрубок і графену та розроблено фізичні основи прогнозування властивостей нових матеріалів, що мають широкі перспективи використання в таких сучасних галузях техніки, як наноелектроніка та спінова електроніка.


Лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки, професор Репецький С.П., асп. Шастун В. і асп. Чешківський Д. обговорюють результати досліджень властивостей графену

Успіхи в технології виготовлення графену зумовлюють широкі перспективи його використання в недалекому майбутньому в якості наступника кремнію в електронних схемах, що дозволить суттєво підвищити ступінь їх інтеграції та робочі частоти. Квазі-релятивістський спектр носіїв заряду, який обумовлює унікальність графену, у той же самий час стає на заваді використанню графену у польових транзисторах завдяки відсутності щілини у його спектрі. Відомо, що домішки можуть призводити до появи такої щілини, причому її ширина залежить від типу домішок та їх концентрації. У зв’язку з цим дослідження впливу домішок на енергетичний спектр та властивості та графену є надзвичайно актуальними.

На основі явища спін-залежного транспорту в магнітних матеріалах передбачається створення діодів і транзисторів, які керуються зовнішнім магнітним полем та нових принципів запису інформації з високою щільністю запису. Нещодавно у вуглецевих нанотрубках з адсорбованими на поверхні атомами перехідних металів передбачено високу спінову поляризацію електронного струму. Такі матеріали є основою для створення комп’ютерів майбутнього — так званих квантових комп’ютерів.

Завідувачем кафедри проф. Кулішем М.П. та доц. Дмитренко О.П. запропоновано новий науковий напрям з дослідження фізики наноматеріалів та їх композитів.

Під керівництвом доц. Дмитренко О.П. та ас. Павленко О.Л. досліджуються плівки фулеритів, легованих металами та опромінених високоенергетичними зарядженими частинками.


Професор Куліш М.П., доцент Дмитренко О.П., студент Брусенцов В.А. на конференції, присвяченій Дням науки

Застосування комплексу теоретичних та експериментальних методів досліджень показує, що у плівках С60 при легуванні оловом, міддю, титаном, індієм, сріблом та іншими металами формуються хімічні зв’язки між молекулами, тобто відбувається полімеризація структури за рахунок перенесення заряду від атомів металів до С60. Полімеризація структури також спостерігається внаслідок опромінення плівок фулеритів електронами та іонами. Такі плівки мають покращені фізико-хімічні характеристики завдяки трансформації кристалічної структури, що супроводжується зміною оптичних та інших властивостей.

Димер молекул С60 з атомом олова

Це створює широкі перспективи технологічного застосування полімеризованих фулеритів для одержання малорозмірних елементів ноноелектроніки, нанооптики та наномедицини з унікальними експлуатаційними характеристиками.

З метою пошуку ефективних засобів протидії забруднень навколишнього середовища на кафедрі фізики функціональних матеріалів під керівництвом доц. Дмитренко О.П. і інж. Буско Т.О. виконуються наукові дослідження, які направлені на встановлення механізмів фотокаталітичної дії плівок діоксиду титану. В результаті вприву іонізуючого випромінювання в плівкових зразках ТіО2 можна керованим чином суттєво змінювати дефектну структуру наночастинок ТіО2. Це дозволяє значно розширити діапазон фотокаталітичної дії та радіаційну стійкість діоксидів ТіО2.

Інженер Буско Т.О. проводить дослідження на електронному мікроскопі

Застосування золь-гель методу для одержання нанофотокаталізаторів ТіО2 в фазі анатазу дає можливість модифікувати вказані матеріали наночастинками благородних металів (Au, Ag), а також діоксидами кремнію та цирконію. При цьому за рахунок поверхневого плазмонного резонансу стає можливим розширення області поглинання ТіО2 від УФ до видимого діапазону. Внаслідок допування діоксиду титану наночастинками благородних металів та іонного і електронного опромінення фотокаталітична активність наноплівкового ТіО2 значно зростає. Таким чином, при застосуванні допованих та радіаційно модифікованих ТіО2 як фотокаталізаторів, з’являється унікальна можливість значно зменшувати шкідливе навантаження токсичних та радіактивних забруднювачів на навколишнє середовище і покращувати екологічний стан довкілля.

Під керівництвом доц. Грабовського Ю.Є. та інж. Пінчук-Ругаль Т.М. вивчаються властивості і механізми покращення механічних характеристик і зносостійкості полімерних нанокомпозитів з включеннями до них багатостінних вуглецевих нанотрубок для їх використання в електронних пристроях та медицині. В наномедицині такі матеріали застосовуються з метою покращення біосумісності і зменшення деградації біоімплантантів при тривалому використанні.

Інженер Пінчук-Ругаль Т.М. та аспірант Ничипоренко О.С. проводять термомеханічні дослідження полімерів

Застосування нанотрубок обумовлено їх унікальними електропровідними та фізико-механічними властивостями. Для визначення механізмів впливу нанотрубок на експлуатаційні характеристики полімерів широко використовуються дослідження термомеханічних, термогравітаційних, резистивних, релаксаційних, реологічних, оптичних та квантово-хімічних теоретичних методів. Вони дозволяють встановлювати зміни в структурі, коливних та електронних спектрах полімерних матеріалів. В результаті таких досліджень показано, що значне покращення властивостей полімерних нанокомпозитів з вуглецевими нанотрубками може бути досягнуто внаслідок їх радіаційного стимулювання під дією іонізуючого випромінювання.

Під керівництвом зав. НДЛ Заболотного М.А. та ас. Пундик І.П. проводяться дослідження з вивчення впливу радіаційного опромінення на фотогенераційні, люмінесцентні та транспортні властивості органічних полімерів із додаванням вуглецевих нано-структур. Такі дослідження направлені на встановлення механізмів сенсибілізації фотофізичних та механічних властивостей елементів сонячних батарей нового покоління.

Зав. НДЛ Заболотний М.А., асистент Пундик І.П., аспірант Оласюк О. П. обговорюють отримані результати

На кафедрі розроблено й запатентовано технологію виробництва темплатів, використання яких дозволяє керувати структурою та фотофізичними властивостями тонких нанокомпозитних плівок органічних напівпровідників з фулеренами. Це відбувається за допомогою створення просторово впорядкованих плазмонних електромагнітних полів, генерованих наноструктурами. Додавання до таких систем бактеріальних реакційних центрів суттєво підвищує квантовий вихід носіїв заряду під дією іонізуючого випромінювання. У композитах карбазолмістких полімерів, допованих вуглецевими нано-структурами, встановлено нові фізичні уявлення фотообумовлених процесів, що враховують специфіку просторової невпорядкованості матеріалів.

Молекулярный комплекс y-конициіну,що входить до складу онкопрепарату “Коніум” та С60

Під керівництвом зав. НДЛ Заболотного М.А., доц. Дмитренко О.П. О.П. і доц. Момота А.І. проводяться роботи по створенню нових та модифікації вже існуючих протипухлинних лікувальних засобів.

В результаті реалізації досліджень:
- розроблено чисельні методи аналізу керування діапазоном конформаційних змін полімерних органічних і біомолекул за допомогою радіаційної та домішкової модифікації;
- створено методи реалізації заданого конформаційного стану фоточутливих оранічних та біомолекул;
- визначено деякі особливості фізичних механізмів впливу домішок вуглецевих наноструктур на лікувальні та біофізичні властивості деяких онколіків алкалоїдного, полісахарідного та стильбенового рядів з метою розробки методів модифікації їх медичних властивостей;
- запропоновано темплатні методи керування фізичними параметрами лікувальних препаратів і відповідної модифікації їх медичних характеристик.

Для виконання таких досліджень широко застосовується програмний комплекс Gaussian, за допомогою якого проводяться дослідження взаємодії наноструктур із біооб’єктами, зокрема вивчається можливість покращення лікувальних властивостей онко-препаратів за допомогою фулеренів. Такі квантово-хімічні обчислення знайшли своє місце і при дослідженні нових наноструктурних матеріалів.