Юров, ВікторВікторЮровПортнов, ВасильВасильПортнов0000-0003-4091-6649Вижва, СергійСергійВижваРева, МиколаМиколаРеваЖангозін, КанатКанатЖангозінГолік, АндрійАндрійГолік2026-05-112026-05-112026-02-27Юров, 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/10.17721/1728-2713.112.0710.17721/1728-2713.112.07https://ir.library.knu.ua/handle/15071834/20107Background. The surface layer of layered minerals such as graphite, molybdenum disulfide (MoS₂), and molybdenum diselenide (MoSe₂) can be regarded as an ultrathin film, with a thickness ranging from approximately 2 nm in the in-plane direction to about 6 nm along the out-of-plane axis. This film comprises three monolayers in graphite, four in MoS₂, and five in MoSe₂. At these dimensions, the surface layer forms a genuine two-dimensional (2D) structure, which exhibits properties distinct from those of the bulk crystal. Moreover, the individual nanolayers within this layer display unique characteristics owing to pronounced sizedependent effects. The aim of the present work is to explore the quantum structure of the surface layer in these minerals, to clarify the fundamental differences between metallic and semiconducting behavior, and to examine surface-related phenomena such as the electrical conductivity of the minerals and the conversion of deformation energy associated with surface reconstruction. Based on the representation of mineral nanolayers as quantum wires, together with the results of the authors' previous studies and findings reported in the scientific literature, the corresponding analytical calculations were carried out, enabling the achievement of the objectives formulated above. Results. It has been established that as the thickness of semiconductors decreases, their electrical conductivity increases, which is opposite to the behavior observed in metals. In particular, the conductivity of the surface layer of graphite is two orders of magnitude higher, while that of molybdenum disulfide and molybdenum diselenide (MoS₂ and MoSe₂) is four orders of magnitude higher than the conductivity of the bulk phase of these minerals. It was also revealed that, in terms of its electronic properties, graphene occupies an intermediate position precisely between conventional metals and semiconductors. The paper demonstrates that quantum wires within a nanolayer interact with each other, which corresponds to the quantum entanglement of fermions as a spin system. It has been established that the deformation energy associated with the reconstruction of mineral surfaces determines the physical properties of both the nanolayers and the bulk crystal. Knowledge of this energy provides a basis for analyzing such physical properties as the thermoelectromotive force (thermocouple effect), thermoelectric effects (Seebeck, Peltier, Thomson), electron work function, heat capacity, and others. The transformation of deformation energy into various forms of energy is considered. It is shown that, under external influence, deformation energy is expended on acoustoemission (the propagation of acoustic waves), autoelectron emission (the release of slow electrons), fractoluminescence, and heat release (through friction). Conclusions. The surface nanoscale layer R(I) of minerals represents an open quantum system in which quantum size effects manifest, giving rise to anomalous physical phenomena. The deformation energy arising in minerals during surface reconstruction reflects all essential properties of bulk minerals that are of significant practical relevance: the acoustic properties of materials, required for nondestructive quality control and identification of failure mechanisms; the field emission of charge carriers from metallic and semiconducting structures, which is critical for micro- and nanoelectronics, photonics, and other technological applications; the process of fractoluminescence in minerals, which reveals the mechanisms of friction in layered minerals and potential routes toward imparting them with superlubricating properties. This list of practical applications associated with deformation energy generated in minerals during surface reconstruction can be further extended. Thus, a new direction in scientific research is emerging – the physics of the surface layer of solids and liquids (in particular, for water, R(I)=1.1 nm).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).enmineralsurface layernanolayermesolayerbulk phaseconductivityquantum wiresdeformation energyFermi energyмінералповерхневий шарнаношармезошароб'ємна фазапровідністьквантові ниткиенергія деформаціїенергія ФерміСтаття