Исследование структурных и термодинамических характеристик наночастиц на основе метода среднего поля и компьютерного моделирования

• Автор: Хашин, Виталий Анатольевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Тверь
• Количество страниц: 136 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Ведение
Глава 1. Различные теоретические подходы к статистической термодинамике малых объектов

1.1. Термодинамика Гиббса метод поверхностных фаз Гиббса

1.2. Метод Хилла

1.3. Концепция капиллярных эффектов II рода. Термодинамическая теория возмущения.

1.4. Метод функционала плотности

1.5. Исследования малых объектов на основе методов компьютерного моделирования

1 Метод молекулярной динамики 2К

1 Метод МонтеКарло

1.6. Экспериментальное изучение структуры нанообъектов и граничных слоев

1.7. Заключение
Глава 2. Метод самосогласованного поля в термодинамике малых сферических капель потенциал ЛеннардДжонса
2.1. Основные положения теории среднего ноля
2.2. Нахождение самосогласованного поля в сферической капле
2.3. Расчет удельной полной поверхностной энергии
2.4. Расчет избыточной свободной энергии в рамках формализма МСП
2.5. Нахождение профиля плотности в сферической капле
2.6. Последующие приближения в расчете поверхностного натяжения
2.7. Выводы
Глава 3. Метод самосогласованного поля в термодинамике малых сферических капель потенциал прямоугольной ямы
3.1. Расчет структурных и термодинамических характеристик для
сферической капли жидкости
3.2. Последующие приближения в расчете поверхностного натяжения
3.3. Анализ результатов
3.4. Выводы
Глава 4 Молекулярнодинамическое исследование структурных и термодинамических характеристик нанокапель простого флюида
4.1. Метод исследования
4.2. Анализ структурных характеристик малых капель
4.3. Анализ термодинамических характеристик малых капель
4.4. Расчет поверхностного натяжения первое приближение
4.5. Расчет поверхностного натяжения последующие приближения
4.6. Анализ результатов
4.7. Выводы
Основные результаты и выводы
Список литературы


В связи с этим, для решения задачи исследования локальной плотности и поверхностного натяжения нанокапель пришлось проделать большую предварительную работу, направленную в частности на решение проблемы определения положения эквимолекулярной разделяющей поверхности, нахождения удельной полной поверхностной энергии и, наконец, расчета поверхностного натяжения и изучения его размерной зависимости. Результаты этих исследований представлены в пашей работе . В завершающей части работы результаты, полученные на основе метода среднего поля и метода компьютерного моделирования были сопоставлены друг с другом. Установлено, что они удовлетворительно согласуются друг с другом, а также с экспериментальными данными, относящимися к молекулярным жидкостям, которые достаточно адекватно соответствуют леннардджонсовским системам. В качестве объектов исследования были выбраны, прежде всего, леннардджонсовские нанокапли, т. В целом полученные результаты достаточно хорошо согласуются друг с другом. Исследование леннардджонсовских систем можно рассматривать в качестве предварительного этапа изучения более сложных по характеру межатомного взаимодействия систем, например металлических и полупроводниковых наночастиц. Вместе с тем необходимо отметить, что потенциал Леи нардДжонса достаточно адекватно описывает металлические системы, характеризующиеся плотной упаковкой атомов. Полупроводниковые системы на основе кремния и германия характеризуются болсс рыхлой структурой, и их адекватное описание возможно на основе использования более сложных коллективных потенциалов, например потенциалов Терсоффа, учитывающих пространственную ориентацию химических связей. Практическая значимость работы обуславливается тем, что структурные характеристики наночастиц и размерные зависимости их характеристик имеют принципиальное значение для решения многих задач материаловедения и наноэлектроники. В частности, процессы на манометровых масштабах имеют непосредственное отношения к микропайке, созданию высокодисперсных аэрозолей, образованию микроэмульсий и нанокомпозитов. Можно выделить два основных направления практического использования полученных в работе результатов. Результаты проведенных исследований могут быть использованы для выбора оптимальных режимов перечисленных выше технологических процессов, а разработанные подходы и методы могут послужить основой для разработки новых технологий в наноэлектронике и в медицине для создания более эффективных лекарственных препаратов, например мазей с высокой степенью измельчения лекарственного средства. Результаты данной диссертационной работы были представлены на II Всероссийской конференции физикохимических процессов в конденсированном состоянии и на межфазных границах Фагран Воронеж, г. II Международной конференции по коллоидной химии и физикохимической механике Москва, , VI Всероссийской школеконференции Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении . II Всероссийской конференции Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях Москва . К проблеме размерной зависимости поверхностного натяжения обращались как теоретики, так и экспериментаторы. Однако мнения различных авторов по поводу даже качественного характера зависимости поверхностного натяжения от кривизны поверхности разрыва расходятся. Весьма плодотворный подход к термодинамике поверхностей, намеченный еще Юнгом и развитым затем Гиббсом 8, основывается на введении в рассмотрение геометрической разделяющей поверхности, к которой относятся избытки всех экстенсивных величин, характеризующих соответствующую двухфазную систему. Реальная система из двух однородных фаз аир заменяется моделью, в которой эти фазы остаются однородными вплоть до разделяющей поверхности. Для компонентной двухфазной системы основное уравнение теории капиллярности Гиббса будет иметь следующий вид 8
x i С, x С22 . Т температура, 7 энтропия, р, химический потенциал го компонента, , масса го компонента, у поверхностное натяжение, А площадь разделяющей поверхности, а с и сь се главные кривизны, С и С2 являются частными производными от избыточной энергии по площади. Вводя удельную полную поверхностную энергию, в случае плоской поверхности, , удельную поверхностную энтропию 7 7М, и адсорбцию компонента Г, x А, можно переписать уравнение 1.