Открытый в 2004 году графен — двумерный кристалл, состоящий из одного слоя атома углерода и образующий гексагональную кристаллическую решетку. Это очень тонкий материал, его форма напоминает пчелиные соты. Он обладает уникальными свойствами — механическими, электронными, термическими — поэтому интерес к графену очень высок.
«Графеновые поверхности толщиной всего в один атом обладают интересными физическими свойствами. Их исследование может привести к новым открытиям в различных областях», — подчеркнул один из разработчиков Алексей Цупак, доцент кафедры «Математика и суперкомпьютерное моделирование» ПГУ.
Для применения графена требуется понимать, какие физические процессы могут происходить в нем и под каким влиянием. Существующие методы не могут дать ответы на все вопросы. Научный коллектив из Пензенского государственного университета — доцент кафедры «Математика и суперкомпьютерное моделирование» Алексей Цупак и аспирант Олег Скворцов — сделал прорывной шаг к решению одной из актуальных проблем, связанных с графеном.
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. 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.
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.
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. Ученые планируют исследования более сложных процессов в графеновых структурах.
