Найважливіші наукові результати Інституту фізики конденсованих систем НАН України у 2006 році

а) У галузі фундаментальних досліджень

Для опису ефектів асиметрії за розмірами та зарядами іонів в електролітах розвинуто статистико-польову теорію, що базується на методі колективних змінних. У рамках цієї теорії виконано дослідження критичної точки газ-рідина для зарядово-асиметричної 1:z моделі. Отримано аналітичний вираз для хімічного потенціалу, спряженого до загальної густини системи, що враховує флуктуаційні ефекти вищих порядків. Розраховано фазові діаграми для різних співвідношень зарядів іонів і показано, що на відміну від інших існуючих в літературі підходів, дана теорія правильно описує усі основні тенденції, що спостерігалися при комп’ютерному моделюванні, не вимагаючи при цьому жодних напівфеноменологічних припущень щодо включення ефектів асоціації у гамільтоніан системи (чл.-кор. НАН України Мриглод І.М., Пацаган О.В.).

Вперше проведено ab initio дослідження колективних збуджень у розплавах солей. Використовуючи комп’ютерне моделювання методом ab initio молекулярної динаміки та аналітичний підхід узагальнених колективних мод, були отримані дисперсійні криві для повздовжніх та поперечних колективних збуджень у розплаві NaCl. Порівняння результатів ab initio розрахунків, що враховують флуктуації електронної підсистеми, з результатами розрахунків для класичної моделі жорстких іонів дозволило отримати значення високочастотної діелектричної проникності розплаву NaCl, яке відображає внесок деформації електронних хмарин в екранування кулонівської взаємодії. Показано також, що через ефекти екранування щілина між довгохвильовими повздовжніми та поперечними оптичними модами зменшується, що узгоджується з відомим раніше ефектом для іонних кристалів (формула Ладдайна-Сакса-Теллера). Внаслідок ефектів екранування парціальні динамічні структурні фактори катіонів та аніонів дістають значну асиметрію, що робить можливим ідентифікацію бокових піків на експериментально спостережуваних повних динамічних структурних факторах (Брик Т.М.).
Гетероструктури, що складаються з ультратонких плівок YBa2Cu3O7-, нанесених на шари SrTiO3, мають велике значення завдяки перспективам їх широкого використання у наноелектронних елементах з надпровідним польовим ефектом. Однак досі цілий ряд ефектів, що спостерігаються на границях розділу таких шарів, не знайшли свого пояснення. Для розгляду таких проблем розроблена ефективна аналітична теорія, у рамках якої ефекти на границях розділу між металічним та діелектричним шарами описуються через врахування взаємодії з електронними та гратковими ступенями вільності діелектрика. Показано, що привнесений електричним полем заряд може бути локалізований на границі розділу, виявлена можливість його зарядового впорядкування і появи неоднорідного польового ефекту. Такий механізм зміни стану границі розділу може використовуватися як ключовий елемент для контролю надпровідних властивостей в елементах оксидної наноелектроніки (Павленко Н.І.).
Розроблено загальний підхід до отримання спектральних співвідношень для багаточасових кореляційних функцій, у якому особлива увага звертається на розгляд неергодичних внесків. Показано, що такі внески можна послідовно отримати використовуючи багаточасові температурні функції Ґріна. Знайдено представлення для багаточасових функцій Ґріна через спектральні густини і розв'язано обернену задачу – знаходження спектральних густин через відомі функції Ґріна. З використанням отриманих спектральних співвідношень розв'язано низку конкретних задач, а саме: отримано загальні вирази, що пов'язують переріз непружнього (комбінаційного) розсіяння електромагнітних хвиль із багаточасовими функціями Ґріна, у яких враховані як нерезонансні, так і резонансні та змішані внески; для випадку неоднорідних систем і наноструктур сформульовано і доведено узагальнену теорему Джонсона-Магана, що дає точне співвідношення між різними кінетичними коефіцієнтами для потоків заряду і тепла (Швайка А.М.).
Трикомпонентну модель водного розчину поліелектроліту використано для опису рівноваги Донана для протеїнів. З цією метою отримано вирази для хімічних потенціалів і вільної енергії в рамках асоціативного гіперланцюжкового замикання, виконано розрахунки осмотичних коефіцієнтів для низки водних розчинів протеїнів. Параметром теорії виступає частка димеризованих полііонів. Для верифікації запропонованого підходу паралельно проведено комп'ютерне моделювання методом Монте-Карло. Порівняння результатів моделювання і теорії показало хороше узгодження. Врахування можливості димеризації макроіонів у теорії дало змогу описати низку експериментальних залежностей осмотичних коефіцієнтів глобулярних протеїнів у водних розчинах електролітів за різних рівнів pH, чого не можна було зробити у рамках звичайних неасоціативних теорій. Зокрема, у розчинах протеїнів лізоциму, ялового і людського сироваткових альбумінів виявлено різний ступінь димеризації цих протеїнів (Калюжний Ю.В., Дручок М.Ю.).
Розвинено методику перенормування у тривимірній класичній електродинаміці, у якій порушується принцип Гюйгенса. Розраховані інтеграли руху, які, згідно з теоремою Нетер, відповідають просторово-часовим трансляціям та поворотам у тривимірному просторі Мінковського MI₃. Знайдено енергія-імпульс та момент кількості руху запізнюючого електромагнітного поля прискореного заряду, що рухається у MI₃ по довільній часоподібній світовій лінії. Проблема перенормованості пов’язана з проблемою Пуанкаре-інваріантності замкненої системи (заряд плюс створене ним поле). При аналізі згаданих збережуваних величин є застосовною схема Дірака, відповідно до якої реакція випромінювання є піврізницею полів, пов’язаних із (нелокальними у MI₃) запізнюючим та випереджувальним потенціалами Лієнара-Віхерта, а причастинкові частини енергії-імпульсу та моменту кількості руху, невіддільні від неперенормованого (голого) заряду, є півсумою згаданих полів. Отримано інтегро-диференційне рівняння, яке є аналогом рівняння Лоренца-Дірака у MI₃ (Яремко Ю.Г.).
Розвинуто систематичний підхід до статистико-механічного опису колоїдних дисперсних систем. Для загального випадку колоїдного дисперсного середовища з суттєво відмінними розмірами частинок вдалося перейти до еквівалентої ефективної однокомпонентної системи макроскопічних колоїдних частинок з ефективними структурними взаємодіями – парними, потрійними і вищого порядку, які отримуються шляхом послідовного виключення ступенів вільності менших частинок – від молекулярного до мікронного масштабів. Для найпростішого нетривіального випадку, яким є бідисперсне середовище з різницею розмірів 1:10, показано, що структурні взаємодії парного характеру є визначальними. Проведені розрахунки показують, що інтенсивність структурних взаємодій зменшується, а діапазони їх дії розширюються, якщо розміри частинок, що формують ефективне дисперсне середовище, зростають. Структурні взаємодії, індуковані молекулярним розчинником, є достатньо інтенсивними і поширюються на короткі відстані між колоїдними частинками у випадку, коли розчинником є вода (Трохимчук А.Д.).
Вперше з урахуванням п’єзоелектричної взаємодії на основі моделі Глаубера розраховано повздовжню і поперечну динамічну діелектричну проникність механічно затиснутого і вільного сегнетоелектрика типу KH2PO4 та отримано задовільне узгодження даних розрахунку з експериментальними даними. Показано, що значення діелектричних проникностей у цих двох випадках збігаються на частотах, більших ніж 10⁹ Гц, а при частотах 10⁵-10⁷ Гц для вільного кристалу має місце п’єзоелектричний резонанс. Отримано задовільний опис коефіцієнта поглинання та швидкості ультразвуку в цих сегнетоелектриках (Левицький Р.Р., Вдович А.С.)
На основі отриманих раніше результатів побудовано скейлінгові фукції рівняння стану і сприйнятливості тривимірної ізингоподібної системи, що перебуває у зовнішньому магнітному полі. Встановлено наявність максимуму цієї функції у високотемпературній області. Показано, що положення цього максимуму на шкалі скейлінгової змінної добре узгоджується з результатами, отриманими в рамках теоретико-польового підходу і Монте-Карло моделювання (Козловський М.П., Пилюк І.В., Притула О.О.).

б) У галузі прикладних досліджень

З метою опису процесів руйнування лавоподібних паливовмісних мас (ЛПВМ) розроблено модель коміркового автомату, на основі якої проведено комп’ютерне моделювання. Відомо, що ЛПВМ містять радіонукліди, активність яких спричинює внутрішні пошкодження даного матеріалу. Виникнення таких пошкоджень приводить до локальних внутрішніх напружень і, як наслідок, до утворення нових дефектів таких, як мікротріщини, які стають основними чинниками, що стимулюють руйнування ЛПВМ. У процесі руйнування виникає явище розпилення субмікронних частинок, утворених у результаті відколювання частин матеріалу від його поверхні. Проведені розрахунки дозволили отримати гістограми розподілу розпилених частинок за розмірами. Також отримано ряд характеристик, що описують інтенсивність пилоутворення, шорсткість поверхні матеріалу та динаміку руйнування при різних параметрах ЛПВМ. Узгодження отриманих гістограм із експериментальними даними свідчать про ефективність вибраної моделі і можливість здійснення на цій основі прогнозів стосовно динаміки руйнування ЛПВМ (чл.-кор. НАН України Головко М.Ф., Пацаган Т.М.).
Досліджено взаємодію стронцію і цезію із силікатами з врахуванням ефектів гідратації. На основі квантово-хімічних розрахунків (метод ab-initio) показано, що іони Cs⁺ і Sr²⁺ адсорбуються з водних розчинів на поверхні силікатів. Встановлено місця локалізації радіонуклідів, розраховано сили зв’язків атомів у системі радіонуклід-сорбент, знайдено енергії адсорбції. Показано, що цезій слабше зв’язується із поверхнею, ніж стронцій. Отримано детальну картину наближення цезію з гідратною оболонкою до поверхні та досліджено зміну зарядів і відстаней при цьому. Знайдено різні можливі рівноважні позиції при адсорбції цезію на силікаті, отримано відповідні енергії зв’язку. При цьому реалізація тієї чи іншої конфігурації визначається напрямом, а також місцем підходу адсорбату до поверхні (чл.-кор. НАН України Стасюк І.В., Мисакович Т.С., Стеців Р.Я.).
Проаналізовано кілька феноменологічних підходів до опису процесів формування і поширення мікротріщин у лавоподібних паливовмісних матеріалах об’єкту “Укриття”. Шляхом теоретичного моделювання отримано вирази для часів нуклеації та росту мікротріщин всередині ЛПВМ, проведено оцінки відповідних енергій активації. Показано, що врахування геометрії тріщини та міжатомної взаємодії між краями мікротріщин приводить до зменшення критичних значень напружень, при яких наступає миттєве руйнування матеріалу ЛПВМ (Ігнатюк В.В., Верхоляк Т.М.).