Интерес к физике кластеров повысился на гране второй половины XX в., при этом появилось само слово «кластер» (англ. cluster «скопление, кисть, рой»). В последнее время понятие «кластер» становится актуальной в связи с тенденцией развития наноматериалов. Такие наноматериалы, полученные с помощью нетрадиционных механизмов роста, чрезвычайно интересны в области электроники, фотоники и представляют большой интерес для катализа. Строение и свойства нанообъектов, а также технологии их применения и модификации определяются составом, строением, комплексом физических (в том числе квантово-механических) свойств, химических свойств и закономерностей. В статье с помощью средств компьютерной графики рассмотрена визуализация и представлены наглядные геометрические образы нанокластеров, позволяющие избежать примитивно-геометрического представления о нанообъектах у студентов и служащие мотивацией к изучению других естественнонаучных предметов. Применены знания и умения, закладываемые студентам в курсе инженерная и компьютерная графика, к исследованиям закономерностей протекания процессов в наномире на примере принципов построения геометрических моделей нанокластеров по октаэдрической линии с помощью 3D-моделирования. Рассмотрены особенности морфологии нанообъектов, предопределяющие актуальность модернизации подготовки студентов в применении взаимосвязанных навыков таких дисциплин, как «Наноматериаловедение», «Нанотехнология», «Инженерная и компьютерная графика». Содержание статьи предназначено специалистам, работающим в областях нанотехнологии и может быть полезно аспирантам и студентам, обучающимся по направлениям «Электроника и микроэлектроника» и «Нанотехнология», а также для студентов технологических специальностей горно-геологического и архитектурно-строительного профиля.
трехмерное моделирование, 3ds Max, геометрические модели нанокластеров, октаэдрические кластеры
1. Бобков А.А. Материаловедение микро- и наносистем. Иерархические структуры [Текст] / А.А. Бобков, И.Е. Кононова, В. А.Мошников // под ред. В. А. Мошникова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”. - 2017. - 204 с.
2. Бойков А.A. Проблемы геометро-графической подготовки студентов вузов [Текст] / А.А. Бойков, К.Т. Егиазарян, А.В. Ефремов, Н.С. Кадыкова // Геометрия и графика. - 2023. - Т. 11. - № 1. - C. 4-22. DOI:https://doi.org/10.12737/2308-4898-2023-11-1-4-12.
3. Вышнепольский В.И. Цели и методы обучения графическим дисциплинам [Текст] / В.И. Вышнепольский, Н.А. Сальков // Геометрия и графика. - 2013. - Т. 1. - № 2. - C. 8-9. DOI:https://doi.org/10.12737/777.
4. Гирш А.Г. Новые задачи начертательной геометрии. Продолжение [Текст] / А.Г. Гирш // Геометрия и графика. - 2021. - Т. 9. - № 4. - C. 3-10. DOI:https://doi.org/10.12737/2308-4898-2020-18-33.
5. Иванов Г.С. Перспективы начертательной геометрии как учебной дисциплины [Текст] / Г.С. Иванов // Геометрия и графика. - 2013. - T. 1. - № 1. - С. 26-27. - DOI:https://doi.org/10.12737/775.
6. Игнатьев С.А. Повышение наглядности представления изучаемых в начертательной геометрии объектов [Текст] / С.А. Игнатьев, Э.Х. Муратбакеев, М.В. Воронина // Геометрия и графика. - 2022. - Т. 10. - № 1. - С. 44-53. DOI:https://doi.org/10.12737/2308-4898-2022-10-1-44-53.
7. Мясниченко В.С. Влияние внешнего давления на термодинамическую стабильность ГЦК нанокристаллов золота, серебра и меди c «магическим» числом атомов 147 [Текст] / В.С. Мясниченко, А.Ю. Колосов, Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков // Сборник научных трудов VI международной научной конференции «Химическая термодинамика и кинетика» под редакцией Ю.Д. Орлова. - Изд-во: Тверской государственный университет, 2016. - С. 186-187.
8. Мясниченко В.С. Применение представления о структурных многогранниках заполнения координационных сфер в объемных кристаллах к проблеме поиска устойчивых форм нанокластеров. Часть 1 [Текст] / В.С. Мясниченко, М.Д. Старостенков // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2011. - Т. 8. - № 2. - С. 49-52.
9. Мясниченко В.С. Применение представления о структурных многогранниках заполнения координационных сфер в объемных кристаллах к проблеме поиска устойчивых форм нанокластеров. Часть 2 [Текст] / В.С. Мясниченко, М.Д. Старостенков // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2012. - Т. 9. - № 3. - С. 284-288.
10. Оюунжаргал Ч. Тенденции обучения в инженерной графике [Текст] / Ч. Оюунжаргал, Оюунзаяа Э. // Геометрия и графика. - 2022. - T. 10. - № 2. - С. 53-59. - DOI:https://doi.org/10.12737/issn.2308-4898. DOI:https://doi.org/10.12737/2308-4898-2022-10-2-53-59.
11. Поленов Ю.В. Физико-химические основы нанотехнологий: учеб. пособие [Текст] / Ю.В. Поленов, М.В. Лукин, Е.В. Егорова. - Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т., 2013. - 196 с.
12. Редель Л.В. Роль «магических» чисел при формировании структуры в малых нанокластерах серебра [Текст] / Л.В. Редель, Ю.Я. Гафнер, С.Л. Гафнер // Физика твердого тела. - 2015. - Т. 57. - № 10. - С. 2061-2070.
13. Сальков Н.А. Геометрическое моделирование и начертательная геометрия [Текст] / Н.А. Сальков // Геометрия и графика. - 2016. - Т. 4. - № 4. - C. 8-9. DOI:https://doi.org/10.12737/22841.
14. Сальков Н.А. Качество геометрического образования при различных подходах к методике обучения [Текст] / Н.А. Сальков // Геометрия и графика. - 2020. - Т. 8. - № 4. - C. 47-60. DOI:https://doi.org/10.12737/2308-4898-2021-8-4-47-60.
15. Сальков Н.А. Место начертательной геометрии в системе геометрического образования технических вузов [Текст] / Н.А. Сальков // Геометрия и графика. - 2016. - Т. 4. - № 3. - C. 53-61. DOI:https://doi.org/10.12737/21534.
16. Сальков Н.А. Основные причины плохого усвоения начертательной геометрии [Текст] / Н.А. Сальков // Геометрия и графика. - 2021. - Т. 9. - № 2. - C. 3-11. DOI: https://doi.org/10.12737/2308-4898-2021-9-2-3-11.
17. Спивак Л.В. Физико-химические основы процессов микро- и нанотехнологии [Электронный ресурс]: учеб. пособие: в 2 ч. / Л. В. Спивак, Н. Е. Щепина; Перм. гос. нац. исслед. ун-т. Электрон. дан. - Пермь, 2018. Ч. 1. 202 с.
18. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов [Текст]. - М.: КомКнига, 2006. - 592 с.
19. Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов [Текст]. - Тверь: Издательство Тверского государственного университета, 2021. - Вып. 13. - 956 с.
20. Фоломкин А.И. Оценка результативности применения пилотного проекта программы-тренажёра по начертательной геометрии [Текст] / А.И. Фоломкин, С.В. Янкилевич, О.Н. Мороз // Геометрия и графика. - 2022. - Т. 10. - № 3. - С. 54-70. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2308-4898-2022-10-3-54-70.
21. Gasanly S.A., Tomaev V.V., Stoyanova T.V. The concept of the phases ratio control during the formation of composite filamentary nanocrystals xInSe-(1-x)In2O3 on glass substrates J. Physics: Conf. Ser. 2017, V. 917, 32021. DOIhttps://doi.org/10.1088/1742-6596/917/3/032021.
22. Harbola M. K. Magic numbers for metallic clusters and the principle of maximum hardness. PNAS. 1992, V. 89 (3), pp. 1036-1039. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.89.3.1036.
23. Jia Y., Yu X., Zhang H., Cheng L., Luo Z. Tetrahedral Pt 10−Cluster with Unique Beta Aromaticity and Superatomic Feature in Mimicking Methane. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2021, V. 12, pp. 5115-5122. DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c01178.
24. Kaatz F. H., Bultheel A., Engel M., Vogel N. Magic Mathematical Relationships for Nanoclusters. Nanoscale Research Letters. 2019, V.14, p. 150. DOI: https://doi.org/10.1186/s11671-019-2939-5.
25. Kononova I.E., Moshnikov V.A., Kononov P.V. Development of a model for the formation of materials with a hierarchical pore structure produced under sol-gel processing conditions. Inorganic Materials. 2018, V. 54, I. 5, pp. 478-489. DOI: https://doi.org/10.1134/S0020168518050060.
26. Kononova I., Kononov P., Moshnikov V., Ignat’ev S. Fractal-Percolation structure architectonics in sol-gel synthesis. International Journal of Molecular Sciences. 2021, V.22, pp. 10521-10537. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms221910521.
27. Kononova I. E., Maraeva E. V., Skornikova S. A., Moshnikov V. A. Influence of Binder on Porous Structure of Zeolite Compositions and Their Catalytic Activity. Glass physics and chemistry. 2020, V. 46, I. 2, pp. 162-169. DOI:https://doi.org/10.1134/S1087659620020066.
28. Madison A.E., Madison P.A. Looking for alternatives to the superspace description of icosahedral quasicrystals. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2019, V. 475, pp. 20180667. DOI:https://doi.org/10.1098/rspa.2018.0667.
29. Madison A.E., Madison P.A. Structure of icosahedral quasicrystals within the multiple cell approach. Structural Chemistry. 2020, V. 31 (1), pp. 485-505. DOI: https://doi.org/10.1007/s11224-019-01430-w.
30. Madison A.E. Substitution rules for icosahedral quasicrystals. RSC Adv. 2015, V.5, pp. 5745-5753. DOI: https://doi.org/10.1039/C4RA09524C.
31. Krasnyy V.A. The use of nanomaterials to improve the wear resistance of machine parts under fretting corrosion conditions. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering; IOP Publishing. 2019, V. 560, pp. 1-5. DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899x/560/1/012186.
32. Pleskunov I.V., Syrkov A.G. Development of research of low-dimension metal-containing systems from P.P.Weymarn to our days. J. Min. Inst. 2018, V. 231, pp. 287-291. DOI:https://doi.org/10.25515/PMI.2018.3.287.
33. Reimann S. M., Koskinen M., Ha¨kkinen H., Lindelof P. E., Manninen M. Magic triangular and tetrahedral clusters. Physical review B. 1997, V. 56, I. 19, pp. 1247-1250. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevB.56.12147.
34. Salikhov K.M., Stoyanov N.D., Stoyanova T.V. Using Optical Activation to Create Hydrogen and Hydrogen-Containing Gas Sensors. Key Eng. Mater. 2020, V. 854, pp. 87-93. DOI:https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/kem.854.87.
35. Smerdov R., Mustafaev A., Spivak Y., Moshnikov V. Functionalized nanostructured materials for novel plasma energy systems. In Topical Issues of Rational Use of Natural Resources. 2019, CRC Press. 2019, pp. 434-441. DOI:https://doi.org/10.1201/9781003014577-55.
36. Smerdov R., Spivak Y., Bizyaev I., Somov P., Gerasimov V., Mustafaev A., Moshnikov V. Advances in Novel Low-Macroscopic Field Emission Electrode Design Based on Fullerene-Doped Porous Silicon. Electronics. 2020, V. 10, p. 42. DOI:https://doi.org/10.3390/electronics10010042.
37. Spivak Yu. M., Kononova I. E., Kononov P. V., Moshnikov V. A., Ignat’ev S. A. The architectonics features of heterostructures for ir range detectors based on polycrystalline layers of lead chalcogenides. Crystals. 2021, V. 11, pp.1143-1159. DOI:https://doi.org/10.3390/cryst11091143.
38. Syrkov A.G. On the priority of Saint-Petersburg Mining University in the field of nanotechnology science and nanomaterials. J. Min. Inst. 2016, V. 221, pp. 730-736. DOI: https://doi.org/10.18454/pmi.2016.5.730.
39. Tomaev V.V., Levine K.L., Stoyanova T.V., Sirkov A.G. Formation of nanocomposite film (polypirrol)/(aluminum) oxide on aluminum surface. In AIP Conference Proceedings; AIP Publishing LLC. 2019, V. 2064, pp. 030016. DOI:https://doi.org/10.1063/1.5087678.
40. Tomaev V., Levine K., Stoyanova T., Syrkov A.G. Synthesis and Study of a Polypyrrole-Aluminum Oxide Nanocomposite Film on an Aluminum Surface. Glas. Phys. Chem. 2019, V. 45, pp. 291-297. DOIhttps://doi.org/10.1134/s1087659619040126.
41. Wang J., Mbah Ch. F., Przybilla T., Zubiri B. A., Spiecker E. Magic number colloidal clusters as minimum free energy structures. Nature communications. 2018, V. 9 (1), p. 5259. DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-018-07600-4.
