Моделирование методом молекулярной динамики синтеза нанокластеров меди из газовой среды

• Автор: Чепкасов, Илья Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Абакан
• Количество страниц: 149 с. : ил.

Содержание:
Введение

Глава 1. Основы газофазного синтеза нанокластеров и методика его моделирования

1.1. Получение металлических наноматериалов методом испарения-конденсации

1.2. Метод молекулярной динамики

1.3. Постановка задачи

Глава 2. Анализ процессов конденсации наночастиц меди

из газовой фазы

2.1. Компьютерная модель

2.2. Роль внешних факторов при процессах синтеза ультрадисперсных частиц меди

2.3. Анализ распределения синтезируемых частиц
меди по структурам
2.4. Анализ распределения по размерам и механизмы роста
частиц
2.5. Выводы к главе
Глава 3. Роль термического воздействия на синтезированные
из газовой фазы меди
3.1. Влияние поэтапного нагревания на синтезированные
из газовой фазы наночастицы меди
3.2. Анализ процессов мгновенного нагрева кластеров
3.3. Влияние межфазных границ на теплоёмкость нанокластеров меди
3.4. Вывод к главе
Заключение
Библиография
Список публикаций по теме

Введение
Изучение отдельных наночастиц и наноструктурного состояния в целом является в настоящее время одной из наиболее интенсивно развивающихся областей исследований в физике, химии и технике. Большой научный и практический интерес к этой теме обусловлен теми уникальными свойствами наночастиц, которые уже находят или будут находить в ближайшем будущем самое широкое применение для изготовления миниатюрных электронных устройств, получения новых материалов и обработки поверхности. Кроме этого, металлические и композитные кластеры и наночастицы начинают привлекать все более возрастающее внимание в связи с их использованием в качестве объектов для поиска новых высокотемпературных сверхпроводников. Однако целенаправленное применение кластеров и наночастиц в различных областях нанотехнологий возможно только на основе точного определения их физических, химических и термодинамических особенностей поведения.
Из всего спектра используемых сейчас металлических наночастиц особое место занимают кластеры меди. Данные частицы обладают многими уникальными свойствами и относительно недороги в производстве. По своим электропроводящим свойствам медные частицы нанометрового размера могут конкурировать даже с серебром. Также огромный спектр применения наночастиц меди имеется в металлургических производствах, к примеру, уменьшение размеров частиц с 10 мкм до 10 нм в порошковой металлургии дает повышение прочности изделий в 30 раз, а добавление нанодисперстных частиц легирующего порошка меди позволяет существенно улучшить пластические характеристики порошковой стали [1]. В химической промышленности в виде катализаторов наночастицы меди используются для выделения серы из попутных газов [2]. Так же широк спектр применения их в виде ката-
ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ГАЗОФАЗНОГО СИНТЕЗА НАНОКЛАСТЕРОВ .

Изменение масштаба скоростей полезно не только при установлении равновесия в моделях молекулярной динамики, оно также применяется в тех случаях, когда изменение температуры Та приводит к искусственному нагреву или охлаждению. Этот способ позволяет определять устойчивые конфигурации кластеров и может служить альтернативой по отношению к методам молекулярной механики.
В реальных экспериментах рассматриваемые молекулы обычно находятся в растворах и активно взаимодействуют с молекулами растворителя. Температура системы поддерживается за счет энергообмена с внешней средой. Детальный учет взаимодействия молекулы с внешней средой часто невозможен. Для учета эффектов энергообмена с внешней средой обычно используют специальные алгоритмы - термостаты.
Использование термостата особенно важно на этапе релаксации системы. В случае установившегося термодинамического равновесия температура термостата и средняя температура молекулярной системы должны совпадать. Энергии подсистем обычно много меньше энергии термостата - таково условие практического равновесия. При изучении молекулярной динамики обычно фиксируют температуру термостата. Температура молекулярной системы может при этом меняться вследствие различных причин. Например, из-за конечного шага интегрирования частица может оказаться в классически запрещенной области, что приведет к резкому скачку энергии, а затем и температуры.
Наиболее часто используют две модели термостатов - коллизионный термостат, основанный на динамике столкновений, и термостат Берендсена {Вегепйнеп), использующий в уравнениях движения знакопеременное нелинейное трение.
В модели коллизионного термостата вводится среда виртуальных частиц, взаимодействующих с частицами изучаемой молекулярной системы [61,62]. Столкновения происходят по закону упругих шаров. Варьируя массу виртуальных частиц и частоту столкновений с атомами системы, добиваются наилучше-