В ПГУ нашли новый подход к исследованию графена
Ученые подведомственного Минобрнауки России Пензенского государственного университета разработали математический алгоритм, который поможет изучить свойства и спрогнозировать реакции на графеновых покрытиях. Графен широко применяется в микро- и наноэлектронике, медицине. Программа запатентована, исследование продолжается. Об этом сообщили на портале «Поиск».
Графен — это двумерный кристалл, состоящий из одного слоя атома углерода, образующий гексагональную кристаллическую решетку. Это очень тонкий материал, его форма напоминает пчелиные соты.
Несмотря на то, что графен материал новый, открытый в 2004 году, он обладает уникальными свойствами — механическими, электронными, термическими — поэтому интерес к нему велик. Стоит отметить, не все достоинства графена до конца изучены. Внимание многих ученых в области математики и физики прикованы к его исследованию.
«Графеновые поверхности толщиной всего в один атом обладают интересными физическими свойствами. Их исследование может привести к новым открытиям в различных областях», — подчеркивает один из разработчиков Алексей Цупак, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Математика и суперкомпьютерное моделирование» ПГУ.
Для применения графена требуется понимать, какие физические процессы могут происходить в нем и под в каким влиянием. Существующие методы не могут дать ответы на все вопросы, а значит графен до сих пор остается темной лошадкой среди инновационных материалов 21-го века.
Научный коллектив из Пензенского государственного университета — канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Математика и суперкомпьютерное моделирование» Алексей Цупак и аспирант Олег Скворцов — сделал прорывной шаг к решению одной из актуальных проблем, связанных с графеном.
В ПГУ много лет на кафедре «Математика и суперкомпьютерное моделирование» под руководством профессора Юрия Смирнова проводятся исследования в области задач электродинамики. Поясним, электродинамика изучает электромагнитное поле и его взаимодействие с различными объектами, в частности с диэлектрическими телами и проводящими поверхностями.
Ученые применили законы электродинамики к графену. Они рассмотрели задачи рассеяния электромагнитных волн на объектах с графеновым покрытием.
«Нам стало интересно взаимодействие графена и электромагнитных волн», — рассказал Алексей Цупак.
По словам ученого, несмотря на «минимально допустимую» толщину поверхности из графена (всего в один атом) многие явления, связанные с ним, удается описать классической электродинамикой, а не квантовой, как это делают повсеместно. Уточним, квантовая электродинамика изучает электромагнитное взаимодействие в предположении о наличии «дискретных» (квантовых) свойств электромагнитного поля. В то время как в классической электродинамике поле непрерывно, поэтому многие реальные физические явления (например, тепловое излучение тел) можно объяснить только в рамках квантовой теории.
Алексей Цупак рассказал, что в конце 2024 года на кафедре «Математика и суперкомпьютерное моделирование» разработали новые интегральные уравнения, описывающие дифракцию электромагнитной волны на объемном неоднородном препятствии, покрытом слоем графена.
В случае с графеновыми покрытиями наибольший интерес представляет возможность эффективного решения таких уравнений численными методами.
«Это непростая задача. В качестве первого шага к ее решению нами была исследована более простая — скалярная — задача дифракции. Численное решение такой задачи, с одной стороны, проще с технической точки зрения, а с другой — позволяет выполнить апробацию выбранного подхода к решению уравнений нового типа, выбрать эффективную реализацию метода. Пусть пока и в более простом варианте», — поделился Алексей Цупак.
Программа для ЭВМ «Программа для решения скалярной задачи дифракции на произвольной области со специальными условиями сопряжения» запатентована. С ее помощью можно численно, то есть эффективнее, решать уравнения при моделировании изделий с включением графена.
Результаты полезны для разработки новых материалов с заданными свойствами для микро- и наноэлектроники и нанотехнологий. В будущем планируется исследование более сложных процессов в графеновых структурах.