Молекулярная динамика наномашин на поверхностях твердых тел

• Автор: Купченко, Илья Владимирович
• Шифр специальности: 02.00.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 81 с. : ил.

Изучение молекулярных наноразмерных механизмов, способных к механическим и коммуникативным действиям одно из новых направлений в науке. Его цель создание устройств, способных выполнять функции молекулярных манипуляторов и транспортеров 1. Одним из интересных достижений в этой области стал синтез и исследование нового класса объектов, названных наномашинами или наноавтомобилями Синтезированные соединения, относящиеся к классу наноавтомобилей, состоят из колес, представленных молекулами фуллеренов Со или карборанов С2ВН, соединенных с шасси из достаточно жестких фрагментов органических молекул. Для упрощения текста в дальнейшем кавычки не будут употребляться для выделения наглядных образов в этих соединениях. Экспериментально наблюдаемой особенностью данной 1руппы молекул является способность к термически индуцированной диффузии на поверхностях твердых тел. Потенциально такие устройства могут быть использованы в технологических приложениях для сборки процессоров и микросхем, в микро и наноэлектромеханических системах 8,9. Интересные перспективы связаны с возможностями манипуляций с биологически значимыми молекулами и их фрагментами 2. Научную проблему представляет предсказание оптимальной структуры молекулярной наномашины, способной к направленному движению по поверхности твердого тела. Детальное экспериментальное исследование поверхностного движения наномашин усложняется их дорогостоящим синтезом, малым размером и трудностями, связанными с ограничениями современных методов детектирования. Компьютерное моделирование поведения молекулярных наноразмерных устройств на поверхностях твердых тел предоставляет важные сведения, дополняющие результаты экспериментальных исследований. Важнейшими характеристиками поверхностной миграции наноавтомобилей являются скорость диффузии и направленность движения этих молекулярных устройств. В данной работе для исследования поверхностной диффузии был использован метод молекулярной динамики с жесткими фрагментами. Целью данной работы являлось моделирование миграции наноавтомобилей с фуллереновыми и карбораиовыми колесами на кристаллических и стеклообразных поверхностях твердых тел методами молекулярной динамики с оценкой влияния структуры молекулярного устройства на скорость и направленность его движения. Исследовать применимость метода молекулярной динамики с жесткими фрагментами для изучения диффузии наноавтомобилей с фуллереновыми Сбо,С7о и карборановьтми колесами. Определить недостающие параметры потенциалов взаимодействия наноавтомобилей с поверхностями твердых тел по экспериментальным данным и результатам квантовохимических расчетов. Провести расчеты поверхностной диффузии трех и четырехколесных наноавтомобилей с фуллереновыми колесами Сбо и ранее не изученных экспериментально машин с колесами С на кристаллах золота. Определить вклад вращения колес в трансляционные перемещения наномашин с фуллереновыми колесами. Разработать кластерные модели фрагментов стекла и мусковита для изучения поверхностной диффузии наномашин с карборановыми колесами. По результатам молекулярнодинамических расчетов сравнить поверхностную диффузию четырехколесной наномашины с карборановыми колесами на стекле и мусковите. Исследовать возможности направленного поверхностного движения путем увеличения размера шасси наномашин и введения полярных групп в шасси. Научная новизна работы определяется тем, что по результатам расчетов молекулярнодинамических траекторий оценены коэффициенты поверхностной диффузии молекулярных наноразмерных устройств наноавтомобилей с фуллереновыми и карборановыми колесами. Впервые теоретически исследована диффузия нового класса наномашин с карборановыми колесами на поверхностях стекла и мусковита. Для проведения подобных молекулярнодинамических расчетов были разработаны кластерные модели фрагментов твердых тел и определены параметры потенциалов взаимодействия фрагментов наноавтомобилей с поверхностями, опираясь на данные квантовохимических расчетов.