Физико-химические аспекты электронной теории и компьютерное моделирование мультиструктур наноматериалов

• Автор: Жуковский, Марк Сергеевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 180 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ МУЛЬТИСТРУКТУР

НАНОМАТЕРИАЛОВ.

1.1. Физикохимическая концепция мультиструктур наноматсриалов

1.1.1. Метод функционала плотности в теории строении вещества.

1.1.2. Метод квантовой топологии плотности химических частиц

1.1.3. Квантовополевая химия мультиструктурного вещества.

1.1.4. Межчастичное взаимодействие в мультиструктурах вещества

1.2. Состояние исследований мультиструктур наноматериалов.

1.2.1. Кластерные частицы и наноматериалы на основе В, С, .

1.2.2. Кластерные частицы и наноматериалы на основе А1, ва, Р, Ая.
1.2.3. Кластерные частицы и наноматериалы на основе Бц вс.
1.3. Постановка задачи
ГЛАВА 2. ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ
ТЕОРИИ МУЛЬТИСТРУКТУР НАНОМАТЕРИАЛОВ
2.1. Теория электронного строения мультиструктур наноматериалов.
2.1.1. Квантовополевая химия электронной плазмы в наноматериалах.
2.1.2. Квантовая топология газовой компоненты электронной плазмы
2.1.3. Квантовая топология роевой компоненты электронной плазмы
2.1.4. Динамический и диссипативный типы ров электронов
2.1.5. Строение квантовомеханического роя электронов.
2.1.6. Протяженность электронного роя в физическом пространстве.
2.1.7. Сверхструктура роевой компоненты в электронной плазме
2.2. Физикохимическая иерархия структур наноматериалов.
2.2.1. Система базовых топологических элементов наноматериалов
2.2.2. Строение финитного наноатома.
2.2.3. Строение плазмы в электронной среде наноматериалов.
2.2.4. Мультиуровневое моделирование строения наноматериалов.
2.3. Потенциалы сил связи в мультиструктурных наноматериалах
2.3.1. Силы когезии и адгезии в мультиеруктурных наноматериалах.
2.3.2. Расчт потенциалов сил связи методом функционала плотности.
2.3.3. Особенности манипулирования силами связи в нанотехнологиях.
2.4. Функциональная самоорганизация мультиструктур наноматериалов.
2.4.1. Самоорганизация термостатистических макросистем наночастиц
2.4.2. Квантовая модель термостатистических макросистем наночастиц
2.4.3. Функциональные процессы самоорганизации наночастиц
ГЛАВА 3. РАСЧЕТ МУЛЬТИСТРУКТУР НАНОМАТЕРИАЛОВ
НА ОСНОВЕ В, С,Ы.ИЗ
3.1. Расчет межатомных потенциалов связи в наносистемах углерода.
3.1.1. Вариационный расчет топологии финитного атома углерода
3.1.2. Потенциалы сил когезии и адгезии наночастиц углерода
3.2. Физикохимические механизмы криогенных нанотехнологий поатомной сборки снизувверх нанофаз углерода.
3.3. Каталитическое действие атомов металлов на рост углеродных нанотубов и наночастиц в криогенном парофазном синтезе
3.3.1. Потенциалы сил адгезии атомов С, Ре, Со, 1
3.3.2. Нанопроцсссы в криогенном растворе атомов С, Ре, Со, 1.
3.4. Квантовостатистическая модель слоевых наноструктур криогенного раствора составов ВХРЬ.Х и СхС1х
3.4.1. Общая постановка термостатистической задачи.
3.4.2. Модель регулярного твердого раствора для двумерного слоя
3.4.3. Процессы упорядочения слоевых наноструктур систем
ВЫ и СС
ГЛАВА 4. РАСЧТ ПОТЕНЦИАЛОВ СИЛ СВЯЗИ НАНОЧАСТИЦ
А1, ва, Б1, ве, Р, Ая
4.1. Расчет потенциалов сил связи наночастиц А1, ва, Р, Аб.
4.1.1. Вариационный расчет топологии финитных атомов А1, ва, Р, Аб.
4.1.2. Расчет парных межатомных потенциалов сил связи наночастиц
А1, Р, Ца, Ая.
4.2. Расчет потенциалов сил связи наночастиц Б1, ве.
4.2.1. Вариационный расчет топологии финитных атомов Б1, ве.
4.2.2. Расчет парных межатомных потенциалов сил связи наночастиц
Б1, бе и СаАэ.
4.3. Физикохимические закономерности сил связи наночастиц
А1, ва, Б1, ве, Р, Аб.
ГЛАВА 5. ФИХИКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ИНФОРМАЦИОННОЙ ЭВОЛЮЦИИ НАНОМАТЕРИАЛОВ
5.1. Информационные процессы эволюции нанофаз материалов
5.2. Информационные процессы эволюции аграфов наночастиц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ВВЕДЕНИЕ
В технологиях приборостроения, электроники и катализа востребованы функциональные материалы, обладающие высоким уровнем адаптивности к экстремальным условиям эксплуатации . В современных представлениях физикохимические свойства функциональных материалов связываются с их специфическим мультиструктурным строением . Мультиструктурность материала означает, что квантовая эволюция его элементарных частиц ядер и электронов проявляется в физикохимическом эксперименте на различных по химическому составу, механизмам химических связей и организации функциональных уровнях. Иерархия мультиструктур включает в себя три основных физикохимических уровня. Базовым является функциональный уровень атомов, характерный масштаб длин которого ограничен диапазоном пикометров. Функциональный уровень молекулярных наноструктур лежит в следующем пространственном масштабе, занимающим интервал от одного до сотни нанометров. Масштаб микрона и выше характерен для структуры фазового строения материалов. Развитая мультиструктурность материала способствует его управляемой извне самоорганизации адаптивности.
С начала XX века со времн становления квантовой механики и химии стало известно, что пространственные размеры атомов задают естественный универсальный субнанометровый масштаб строения вещества. Ближний и дальний порядок во всех материалах определяется на уровне атомных структур. Прецизионные эксперименты показали 7 наличие в структуре некристаллических аморфных веществ, стекол ещ одного надатомного наноскопического масштаба. В их низкоэнергетических спектрах неупругого рассеяния нейтронов, а также комбинационного рассеяния и инфракрасного поглощения света были впервые обнаружены характерные избыточные плотности резонансов наночастиц.
В х годах прошлого века высокотемпературная сверхпроводимость сложных по химическому составу керамических материалов, обладающих
выраженной наноструктурностью строения, поставила проблему разработки теории мультиструктурности функциональных материалов. В этих керамиках малый радиус электронных куперовских пар, обусловленный необычными механизмами сильной электронной корреляции, ведет как к повышению критических параметров перехода в сверхпроводящее состояние, так и к устойчивости самой наноструктуры керамик. Особенности взаимосвязи еще неясны 8, 9, что препятствует созданию на основе высокотемпературных сверхпроводящих керамик надежных в эксплуатации устройств.
Актуальность


Пограничное положение наномира позволяет предположить, что законы его строения должны быть переходными между квантовохимическими законами атомного строения молекул и физикохимическими законами фазового строения макросистем. Поэтому вполне логичным было возникновение за прошедший период двух диаметрально противоположных подходов к построению теории наномира со стороны физикохимиков сверху и со стороны квантовых химиков снизу . Вместе с тем, экспериментально обнаруженные уникальные свойства структур вещества в наномире указывают на то, что специфика их строения отличается от атомного строения молекул или доменного строения фаз. В х годах XX века произошел резкий скачок в теоретическом осмыслении квантовой картины строения вещества на микроскопическом уровне. Это произошло вследствие стечения ряда обстоятельств. Главными были два появление теории функционала плотности ФП и появление мощных ЭВМ . Вычислительная мощность компьютеров стала вполне достаточной, чтобы справиться с расчетом плотности и энергии молекул и идеальных кристаллов. Это привело к увеличению числа работ по прикладной квантовой химии и электронному строению твердых тел. Волновая функция состояния любой химической частицы является функцией электронных и ядерных координат и времени х,Х,1, где Xпространственные и спиновые координаты электронов, Хнабор ядерных координат, Гвремя. X равна IхХ1х,Хс1хх2. Ю1ст. Х 1Брт1Ю2 1сЮ3ЛЮцхХхХ 1. О всех электронов и проведено интегрирование по пространственным координатам Г х1,у1, 2, 3, , 1М всех электронов химической частицы кроме первого. ЕХ 1 Усх1 г, Хрг, ХсЮ Р рг, X, 1. Усх1 г, X обозначает потенциальную энергию одного электрона в точке г, помещенного во внешнее силовое поле данной конфигурации ядер X, а Я рг, X обозначает универсальный функционал плотности для внутренней кинетической и потенциальной энергии системы электронов частицы. Наглядность картин распределений электронной плотности, их связь с энергетикой химических частиц позволила выйти квантовой теории строения вещества на уровень инженерных наук. За наглядностью скрываются проблемы, которые можно отнести к кухне теории ФП. Основой метода явилась доказанная в г. Хоэнберга Кона . Доказательство этой теоремы было от противного, что недостаточно для построения конструктивной теории. Квантовомеханическая теория ФП использует модель неоднородного электронного газа и схему вычислений, которые основываются на решении одноэлектронного дифференциального уравнения Шредингера для квантовомеханической системы независимых электронов. Энергия и распределение плотности заряда электронов во внешнем силовом поле ядер описываются как энергия и плотность заряда в физическом пространстве эффективного фермигаза, состоящего из электронов . С начала х, в рамках приближения электронного газа, развивается новый топологический подход к строению химических частиц квантовая топология плотности КТП атомов в молекуле . В этом методе главную роль играет топографическая карта распределения плотности электронного заряда в физическом пространстве. Основными элементами карты являются линии градиента электронной плотности. Эти линии определяют топологию атомного строения молекулы. В основе КТП лежит фундаментальное утверждение квантовой теории неоднородного электронного газа о том, что квантовое действие молекулы стационарно устойчиво, если стационарно квантовое действие каждого из е топологических фрагментов атомов. Следствием этого является то, что теорема вириала выполняется не только для всей системы электронов и В ядер инфинитной молекулы, но и для каждого финитного атома в молекуле. Поэтому топологические атомы в молекуле называют вириальными атомами. Одним из следствий развития теории атомов в молекулах является то, что вириальные атомы являются открытыми системами, определенными в реальном пространстве, причем их границы определяются специфическими свойствами электронной плотности заряда. Заряд молекулы целочисленный, но при этом заряд вириального атома может быть произвольным дробным. Анализ топологических свойств молекулы может также быть применен к плотности, полученной усреднением рг,Х по тепловому движению ядер.