Способ прогнозирования свойств пленок графена — самого прочного из известных материалов, используемого в электронике, медицине и рассматриваемого как сырье для многих областей промышленности, создали ученые ЧелГУ совместно с коллегами из КНР и Саудовской Аравии. Авторы исследования считают, что их результаты могут быть использованы для проектирования передовых материалов с заданными свойствами. Результат представлен в Scientific Reports.
Планета Земля предположительно содержит 4360 миллионов гигатонн (гигатонна — миллиард тонн. — Прим. ред.) углерода, существующего в виде веществ с разной структурой, например, широко известных алмазов, графита и угля. В 2004 году был открыт простой способ получения “двухмерного” материала из углерода с толщиной слоя в один атом – графена.
Благодаря своим электронным, термическим и механическим свойствам графен произвел революцию в материаловедении. Например, графеновая пленка более чем в 1000 раз тоньше листа алюминиевой пищевой фольги и при этом обладает почти одинаковой прочностью с фольгой на растяжение, из-за чего графен называют прочнейшим современным материалом, рассказали ученые Челябинского государственного университета (ЧелГУ).
В вузе пояснили, что применение материала в современных технологиях требует понимания его физических свойств, а также моделирования процессов течения тока, механической деформации и теплопроводности в листах графена с помощью нелинейных эволюционных уравнений. Для решения таких уравнений у ученых не существует единого подхода, при этом в настоящий момент модель графеновых пленок (2+1)-мерного пространства еще не была полностью изучена с помощью аналитических решений. Отсутствие таких решений ограничивает возможность специалистов глубже понять уникальные свойства и поведение графена.
Профессор Института информационных технологий ЧелГУ Александр Вохминцев совместно с коллегами КНР, Саудовской Аравии и России (Ханты-Мансийск) разработал алгоритм, позволяющий решать подобные эволюционные уравнения и описывать физические процессы в графеновых пленках с высокой точностью.
"Прямые и косвенные методы, использованные в данном исследовании, такие как модифицированный метод Khat III и Khat II, являются новыми вкладом в область нелинейных дробных эволюционных уравнений. Эти методы специально адаптированы для решения высокопорядковых дробных связанных уравнений, которые сложно решать с помощью традиционных методов", — рассказал Вохминцев.
По словам авторов публикации в Scientific Reports, их исследование представляет инновационные аналитические методологии, которые значительно улучшают понимание физических явлений, определяющих поведение и свойства графена. Исследователи утверждают, что предложенные в работе методы оказались эффективными в получении точных и надежных солитарных волновых решений для модели (2+1)-мерного слоя графена, что критично для понимания динамических свойств материала и вносит существенный вклад в прикладную математику и материаловедение.
“Эти знания имеют решающее значение для разработки современных материалов с заданными свойствами, перспективных для применения в электронике, фотонике и нанотехнологиях”, — пояснил Вохминцев.
В будущем исследователи планируют рассмотрение более сложных динамических процессов в графеновых листах.
