Компьютерное моделирование формирования фрактальных кластеров никеля и углерода в двумерных и трехмерных наносистемах

• Автор: Лерх, Яков Валерьевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 127 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение.

Глава 1 Экспериментальный и компьютерный синтез фрактальных

нанокластеров.

1.1 Фрактальная структура нанокластеров, синтезированных в условиях самосборки.

1.2 Условия синтеза

1.3 Коллоидные агрегаты ультрадисперсных алмазов.

1.4 Компьютерные модели агрегации частиц.

1.5 Методы молекулярного моделирования.

1.5.1 Молекулярная механика.

1.5.1.1 Модельные потенциалы взаимодействий.

1.5.1.2 Методы минимизации энергии
1.5.2 Методы молекулярной динамики
1.5.3 Метод МонтеКарло.
1.6 Расчт параметров химической связи методами квантовой механики
Глава 2 Вычисление параметров связи и алгоритмы построения
компьютерных программ процессов самоорганизации
2.1 Вычисление параметров межатомных кластерных потенциалов для атомов никеля с помощью пакета программ , ,
, , I
2.2 Построение моделей агрегации частиц
2.2.1 Построение двумерной модели ОДА.
2.2.2 Построение трхмерной модели ОДА.
2.2.3 Построение трхмерной модели ККА
2.3 Расчт свойств системы атомов в процессах самосборки и релаксации
2.3.1 Построение матрицы смежности
2.3.2 Вычисление внутренней энергии.
2.3.3 Вычисление энтропии и энергии Гельмгольца.
2.3.4 Вычисление фрактальной размерности
2.4 Построение моделей энергетической релаксации.
Глава 3 Двумерное моделирование процессов самосборки и
энергетической релаксации фрактальных кластеров
3.1 Влияние расположения атомов в пространстве на значение фрактальной размерности.
3.2 Влияние начальной концентрации атомов на значение фрактальной размерности.
3.3 Свойства кластеров в процессе самосборки.
3.4 Свойства структур в процессе релаксации
3.5 Свойства системы атомов никеля в процессе консервативной самоорганизации.
Глава 4 Трхмерное моделирование процессов самоорганизации
фрактальных структур.
4.1 Влияние расположения атомов в пространстве на значение фрактальной размерности системы атомов в трхмерном пространстве
4.2 Влияние начальной концентрации атомов на значение фрактальной размерности системы атомов в трхмерном пространстве
4.3 Радиусы обрезания и энергии связей системы атомов внутри нанопоры
4.4 Изменение свойств системы атомов в процессе самосборки структур с металлическим типом связи внутри кубической нанопоры
4.5 Изменение термодинамических функций и фрактальной размерности в процессе релаксации структур с металлическим
типом связи внутри кубической нанопоры.
4.6 Изменение свойств системы атомов в процессе самосборки структур с супрамолекулярным типом связи внутри кубической нанопоры
4.7 Изменение термодинамических функций и фрактальной размерности в процессе релаксации структур с супрамолекулярным
типом связи внутри кубической нанопоры.
4.9 Свойства структур, синтезированных в условиях кластеркластерной агрегации
Выводы. ИЗ
Библиографический список
ВВЕДЕНИЕ
Изменения, происходящие в настоящее время в химии и технологии материалов, тесно связаны с изменением фундаментальных представлений об их пространственновременной эволюции 1. При создании новых поколений материалов важную роль играют процессы самоорганизации в физикохимических системах, используемых в качестве прекурсоров и, как правило, эволюционирующих в сильно неравновесных условиях. Исследование явлений самоорганизации в наносистемах позволяет понять условия формирования разнообразных структур, начиная от нанокристаллов и заканчивая нанокомпозитами 2. В настоящее время склонность некоторых материалов к образованию наноструктур самосборкой является одним из главных направлений исследований 3. Их цель изучение механизмов управления самосборкой для того, чтобы получать из атомов на поверхности материалов структуры необходимой конфигурации. Развитие методов самосборки значительно расширяет ассортимент методов построения наноструктур. При создании сложных материалов до сих пор за основу бертся возможность литографического воспроизведения спроектированных наноструктур 4. Прогресс в понимании процессов самоорганизации способствовал развитию так называемого пековалентного синтеза с образованием слабых связей между молекулами и их ансамблями. Эти процессы обеспечивают дальнейшую организацию различных межмолекулярных перемещений 5. Для связывания, сборки и объединения макромолекул или нанообъектов разработаны новые методы, основанные на взаимодействиях, которые значительно сложнее и по отдельности слабее классических электронных связей 6. К таким взаимодействиям относятся стерические, электростатические, гидрофобные, а также водородные связи. Для стабилизации сложных наноструктур во многих случаях требуются многократные связи, которые являются основой кодировки информации внутри наноструктур 7. Для достижения приемлемой скорости формирования квантоворазмерных схем с чрезвычайно большим числом ма
лых по размерам элементов следует отдавать предпочтение научнотехнологическим разработкам и подходам, основанным не на последовательном и медленном создании отдельных элементов схем, а разработкам и подходам, реализующим одновременное и быстрое создание чрезвычайно большого числа элементов 8. В связи с этим для научнотехнологических разработок элементной базы представляет интерес изучение процессов самоорганизации, приводящих к созданию потенциально полезных конструкторских элементов, например, дендритных структур, относящихся к классу квантоворазмерных структур, которые являются дополнением к таким объектам, как квантовые точки и квантовые нити 9.
Можно выделить следующие основные проблемы в теории самоорганизации наноматериалов формулировка фундаментальных принципов самосборки наноконструкций создание компьютерных алгоритмов самосборки разработка вычислительных алгоритмов для качественного анализа моделей самосборки моделирование явлений пространственновременной самоорганизации при создании наноматериалов. При конструктивном рассмотрении этих проблем не обойтись без системы математических и компьютерных моделей , .
Актуальность


Применить термодинамические функции и фрактальную размерность для объяснения поведения формируемых наноструктур никеля и теорию информации Шеннона для описания агрегатов углеродных наногелей, сформированных по алгоритму кластеркластерной агрегации. Научная новизна работы. Разработана модификация модели клеточных автоматов для случая многонаправленных взаимодействий между наночастицами в среде. Предложена модель минимизации энергии наносистем, учитывающая межатомные взаимодействия на основе температурнозависящсй матрицы смежности. На основе теории графов и информации Шеннона выделены три типа агрегатов наногелей, сформированных при различной концентрации частиц в процессекластеркластерной агрегации рыхлый гель, клеточноматричный гель, тврдый гель. В рамках модели кластеркластерной агрегации найдены диапазоны фрактальной размерности, соответствующие трм разновидностям наногелей. Достоверность полученных результатов. В качестве инструментов исследования использованы компьютерные модели, алгоритмы построения которых базируются на научно доказанных и апробированных математических соотношениях для многоэлектронных потенциалов взаимодействия, минимизации энергии, фрактальной размерности, энтропии, энергии связей, энергии Гельмгольца. Достоверность также обусловлена критическим сравнением полученных результатов с данными других теоретических расчтных и экспериментальных исследований. Научная и практическая значимость работы. Построенные компьютерные модели могут быть использованы для прогнозирования процессов формирования атомных нанокластеров на двумерной подложке и внутри трхмерных пор. Полученные данные термодинамических функций и фрактальной размерности описывают поведение наносистемы атомов при заданной температуре. Используемая модель, содержащая температурнозависящие радиусы обрезания, может быть применена для построения аналогичных моделей и для атомов других элементов. Полученные в работе расчтные данные могут быть использованы при прогнозировании и анализе наноструктурных покрытий, фрактальных катализаторов и наногелевых, мембранных наносистем нового поколения. Основные положения, выносимые на защиту. Методы расчта стохастических процессов самосборки и самоорганизации фрактальных наносистем кластеров металлов и неметаллов в нанополостях материалов при заданной температуре, объме и концентрации частиц. Закономерности процессов самосборки, релаксации и консервативной самоорганизации фрактальных никелевых покрытий двумерных наносистем. Зависимости термодинамических функций и фрактальной размерности от температуры и стадий превращения в процессах самосборки и релаксации никелевых покрытий в трхмерных нанопорах. Особенности морфологии трхмерных фрактальных углеродных наиогелей внутри нанопор материалов. Апробация работы. Международной школеконференции молодых ученых Физика и химия наноматериалов, Томск, г. Международной конференции I I i i, i i i i ii, Ницца, Франция, г. Жуковка, Большая Ялта, Крым, Украина, г. Международной конференции i i, i К i, Страсбург, Франция, г. Международной конференции I. Пекин, Китай, г. II Всероссийской конференции по наноматериалам НАНО , Новосибирск, г. Международной конференции Полифункциональные материалы и технологии, Томск, Международной конференции Ii i, , Vi , ivi V , 7 июля , Рим, Италия Международной школесеминаре Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения, Томск, г. Открытой школеконференции стран СНГ Ультрамелкозернистые и наноструктурные матсриалы, Уфа, августа г. Международной конференции i, . Варшава, Польша, сентября г. V Международной конференции Материалы и покрытия в экстремальных условиях исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий, Большая Ялта, Жуковка, Крым, Украина, сентября г. Публикации. По материалам диссертации опубликовано работ из них 7 статей 2 статьи в журналах по списку ВАК, 8 тезисов. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырх глав, выводов, списка литературы 7 наименований. Работа изложена на 7 страницах, включая таблиц, рисунка.