Поверхневий шар шаруватих мінералів

Юров, В., Портнов, В., Вижва, С., Рева, М., Жангозін, К., Голік, А. (2026). Surface layer of layered minerals. Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Геологія, 1(112), 54–65. https://doi.org/10.17721/1728-2713.112.07

Вступ. Поверхневий шар мінералів графіту, дисульфідів і диселенідів молібдену являє собою ультратонку плівку товщиною від ~2 нм у площині шарів до ~6 нм перпендикулярно до цих шарів. Ця плівка містить: для графіту – 3 моношари, для MoS₂ – 4 моношари, для MoSe₂ – 5 моношарів. Поверхневий шар мінералів таких розмірів є 2D-структурою, яка відмінна від об'ємного (масивного) кристала. Всі наношари цього шару також відмінні один від одного через наявність розмірних ефектів. Метою даної роботи є дослідження квантової структури поверхневого шару зазначених мінералів, установлення відмінності металів і напівпровідників, дослідження пов'язаних з поверхневим шаром таких явищ, як електрична провідність мінералів і перетворення енергії деформації внаслідок реконструкції їх поверхні. На основі представлення наношарів мінералів як квантових ниток, результатів раніше виконаних авторських робіт та викладених у наукових публікаціях результатів досліджень інших учених, виконано відповідні аналітичні розрахунки, що дають змогу досягти сформульованих вище цілей.
Результати. Було встановлено, що при зменшенні товщини напівпровідників електрична провідність зростає, що протилежно до поведінки, яка спостерігається в металах. Зокрема, провідність поверхневого шару графіту на два порядки, а дисульфіду та диселеніду молібдену (MoS₂ і MoSe₂) на чотири порядки вища за провідність об'ємної фази цих мінералів. Виявилося також, що за своїми електронними властивостями графен знаходиться посередині між звичайними металами і напівпровідниками. У статті показано, що квантові нитки в наношарі взаємодіють між собою, що відповідає квантовій заплутаності ферміонів як спінової системи. Показано, що енергія деформації, що пов'язана з реконструкцією поверхні мінералів, визначає фізичні властивості як наношару, так і об'ємного кристала; її знання відкриває шлях до аналізу таких фізичних властивостей: явище термо-ЕРС (робота термопари); термоелектричні ефекти (Зеєбека, Пельтьє, Томсона); робота виходу електронів; теплоємність та ін. Розглянуто перетворення енергії деформації у різні види енергії. Показано, що енергія деформації при зовнішньому впливі витрачається на акустоемісію (поширення звукових хвиль), автоелектронну емісію (випромінювання повільних електронів), фрактолюмінесценцію та на тепловиділення (під час тертя).
Висновки. Поверхневий наношар мінералів R(I) є відкритою квантовою системою, у якій виявляються квантові розмірні ефекти, що призводять до аномальних фізичних явищ. Енергія деформації, що виникає в мінералах при реконструкції поверхні, відображає всі суттєві властивості об'ємних мінералів, що мають важливе практичне значення: акустичні властивості матеріалів, необхідні для неруйнівного контролю якості і виявлення механізмів руйнування; автоелектронну емісію носіїв заряду з металевих та напівпровідникових структур, критично важливу для мікро- та наноелектроніки, фотоніки та інших технологічних додатків; процес фрактолюмінесценції в мінералах, що розкриває механізми тертя в шаруватих мінералах та потенційні шляхи надання їм супермастильних властивостей. Цей перелік практичних застосувань, пов'язаних з енергією деформації, що генерується в мінералах при реконструкції поверхні, може бути розширений. Таким чином, формується новий напрямок наукових досліджень – фізика поверхневого шару твердих тіл та рідин (зокрема, для води R(I)=1,1 нм).