Поверхностные характеристики, структура и стабильность нанометровых микрочастиц : Теория и компьютерный эксперимент

• Автор: Базулев, Анатолий Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Тверь
• Количество страниц: 112 с. : ил

Оглавление
Введение
Глава 1. Экспериментальные и теоретические методы исследования поверхностных характеристик малых частиц
1.1. Экспериментальные методы исследования малых объектов
1.2. Термодинамические подходы
1.2.1. О применении метода поверхностных фаз Гиббса к малым объектам
1.2.2. Асимптотические формулы Толмена и Русанова
1.2.3. Метод Хилла и концепция капиллярных эффектов II рода
1.3. Общий подход к выводу асимптотических соотношений для поверхностного натяжения малой капли на основе теории поверхностных фаз Гиббса
1.4. Исследования малых объектов на основе методов компьютерного моделирования
1.5. Прочие теоретические методы*''
1.6. Заключение ‘ +•;<•?
Глава 2. Применение термодинамической теории возмущений к расчету избыточной свободной энергии малых объектов
2.1. Теоретические основы применения термодинамической теории возмущений к определению поверхностных характеристик малых объектов
2.2. Алгоритм компьютерного варианта метода расчета удельной свободной поверхностной энергии малого объекта
2.3. Расчет удельной свободной поверхностной энергии малых капель молекулярных жидкостей (леннард-джонсовского флюида и воды)
2.4. Применение термодинамической теории возмущений к расчет уделы-юй свободной энергии малых капель металлических расплавов
2.5. Метод ШАМ и его применение к исследованию размерной зависимости избыточной свободной энергии микрокапель с несферическими молекулами

2.6. Расчет межфазного натяжения границы раздела малая капля полярной жидкости неполярная дисперсионная среда
2.7. Анализ результатов
Глава 3. Применение термодинамической теории возмущений к исследованию размерной зависимости избыточной свободной энергии малых объектов несферической формы
3.1. Подходы к описанию несферических объектов в термодинамике дисперсных систем и в теории аэрозолей
3.2. Расчет избыточной свободной энергии эллиптической микрочастицы
3.3. Расчет избыточной свободной энергии цилиндрической микрочастицы
3.6. Заключение
Глава 4. Исследование поверхностных характеристик и структуры нанометровых микрочастиц на основе методов компьютерного моделирования
4.1. Алгоритм нахождения удельной свободной поверхностной энергии микрочастиц на основе методов компьютерного моделирования
4.1.1. Метод Монте-Карло 8
4.1.2. Метод молекулярной динамики
4.1.3. Алгоритм нахождения удельной свободной поверхностной энергии малых объектов на основе методов моделирования
4.2. Исследования размерной зависимости удельной свободной поверхностной энергии и локальной плотности в микрокаплях простого леннард-джонсовского флюида и полимерных микрочастицах
4.3. Анализ результатов
Основные результаты и выводы
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
В последние годы по ряду причин, в частности в связи с развитием нанотехнологии, существенно возрастает интерес к структуре и свойствам малых частиц. Так, М. Антониетти, директор Института коллоидной химии им. М. Планка (Берлин), развивает восходящую к В. Оствальду концепцию о том, что особые свойства малых частиц позволяют отнести их к особому -четвертому состоянию вещества [1]. Аналогичную концепцию в 90-х годах развивал академик И.В. Тананаев, который уделял большое внимание особым свойствам ультрадисперсных сред [2]. Ультрадисперсными системами он назвал системы, которые представляют собой переходные состояния конденсированных веществ, т.е. макроскопические ансамбли малых объектов размером 1-10 нм. И.В. Тананаев высказал мнение о том, что проблема получения материалов с качественно новыми физикохимическими характеристиками, а также высокими физико-механическими свойствами может быть решена при формировании и использовании ультрадисперсных сред.
Проблема размерной зависимости поверхностного натяжения и других поверхностных характеристик занимает одно из центральных мест, как в физике малых частиц, так и в физике межфазных явлений. Начало изучению данной проблемы было положено еще Дж. В. Гиббсом, который, однако, пришел к выводу, что влиянием размера микрочастиц на поверхностное натяжение можно пренебречь. К проблеме размерной зависимости поверхностного натяжения обращались неоднократно как теоретики, так и экспериментаторы. Рассмотрению этого вопроса посвящен ряд теоретических работ, однако мнение различных авторов по поводу даже качественной характеристики зависимости поверхностного натяжения от кривизны поверхности разрыва часто расходились. Напротив, экспериментальные результаты являются весьма скудными, к тому же, эксперименты в данной области довольно сложны и, соответственно, их

Ч = Ч1Ш/2 = -<и11>/2. (2.9)
Для рассматриваемого случая формула (2.5) перепишется следующим образом:
(и в)=п; I ф(ги)§(гп^А^2 (2.Ю)

В математическом плане задача сводится к вычислению многомерного (шестимерного) интеграла от достаточно сложной функции. В случае объекта произвольной геометрии, не обладающего высокой степенью симметрии, взятие такого интеграла представляет значительную сложность. Произведем расчет данного интеграла численными методами, а именно, методом Монте-Карло, который заключается в использовании случайных чисел для моделирования различных объектов, ситуаций и физических явлений. Обычно генератор случайных чисел выдает равномерно распределенные случайные числа на отрезке значений [0,1). Причем любое значение координаты х, в этом интервале является равновероятным. Приведем алгоритм применений метода Монте-Карло. Общая схема применения метода Монте-Карло может быть представлена следующим образом.