– Данная тема, несомненно, очень актуальна, так как область применения нанотрубок чрезвычайно широка, – поясняет ученый. – Это связано с тем, что благодаря каркасной молекулярной структуре они по своим свойствам выгодно отличаются от других аллотропных модификаций углерода: алмаза и графита. Углеродные нанотрубки очень прочные, обладают высокой электро- и теплопроводностью, способны выдерживать большие растяжения и изгибы. Именно благодаря сочетанию такого множества уникальных свойств они позволяют улучшать свойства существующих материалов и конструировать принципиально новые.

Один из самых простых примеров использования углеродных нанотрубок – упрочнение материалов. И неудивительно: молекулярная решётка углеродных соединений обладает невероятной прочностью. При этом масса изделий благодаря малой плотности нанотрубок уменьшается. Значительно более эффективными могут оказаться устройства, использующие уникальные электрические и оптические свойства углеродных нанотрубок.

– Сегодня активно исследуются оптические свойства углеродных нанотрубок, взаимодействующих с матрицами различной природы или адсорбированными комплексами. Экспериментальное определение свойств таких материалов, как правило, стоит дорого, а в некоторых случаях принципиально невозможно. Именно для решения таких задач мы используем методы компьютерного моделирования, – говорит Сергей Анатольевич.

При моделировании объектов, которые плохо изучены экспериментально, ученым необходимо использовать методы, не требующие подгоночных параметров. Одним из них является теория функционала электронной плотности, реализованная во множестве платных и свободно распространяемых программных пакетов.

– К сожалению, мощности персональных компьютеров недостаточно для исследования реалистичных моделей перспективных материалов, – добавляет исследователь. – Наше конкурентное преимущество – доступ к суперкомпьютеру «Торнадо», который дает возможность научным сотрудникам ЮУрГУ решать задачи мирового уровня.

Научные коллективы ЮУрГУ имеют большой опыт использования суперкомпьютерных технологий для решения фундаментальных и прикладных задач. Их конкурентоспособность подтверждается в том числе и тем, что сотрудники вуза регулярно становятся победителями конкурсов грантов федерального уровня.

– На первый взгляд компьютерное моделирование с использованием специализированного программного обеспечения кажется очень простым делом. Нужно лишь задать определенный набор параметров, и программа выдаст результат. На самом деле оказывается, что параметров этих очень много: перебор различных комбинаций может занять столько времени, что результат уже не будет представлять интереса для научной общественности, – рассказывает ученый. – Оказывается, что для оптимизации этого процесса нужно хорошо знать физику и химию, разбираться в программном коде. Кроме того предполагается свободное владение английским – языком международного научного сообщества. Для сегодняшних школьников это, наверное, звучит страшновато, но этими компетенциями вполне реально овладеть. Нужно лишь сделать верный выбор при поступлении в университет. Я выпускник физического факультета ЮУрГУ по направлению «Прикладные математика и физика».

К настоящему времени электронная структура бездефектных нанотрубок достаточно хорошо изучена теоретически и экспериментально. Реальные нанотрубки, однако, имеют различные дефекты строения. Именно учет их влияния на свойства нанотрубок и делает проект Сергея Созыкина интересным для научного сообщества.

– Одна из важнейших задач исследователя-теоретика состоит в том, чтобы дать верное предсказание относительно свойств, которые еще не были оценены в эксперименте, – объясняет Сергей Анатольевич. – Начинают обычно с воспроизведения известных результатов. Это позволяет судить о применимости выбранной методики моделирования к объекту изучения. В моем исследовании таким объектом была бездефектная углеродная нанотрубка (7,7). Убедившись в высокой точности полученных результатов, мы приступили к основной части работы: определению изменений, происходящих в электронной структуре и спектре поглощения нанотрубки при внедрении дефектов одиночной и двойной вакансий, дефекта Стоуна – Велса. Эти результаты – новые: ранее в открытой печати не было опубликовано ничего подобного.

До завершения проекта ученым предстоит решить еще много важных задач, направленных на достижение основной цели: например, получить сведения о способах управления электронными и оптическими свойствами углеродных нанотрубок.