Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях

Подождите немного. Документ загружается.

В.Ф. ЕЛЕСИН, Н.Н. ДЕГТЯРЕНКО, К.С. ПАЖИТНЫХ

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНФИГУРАЦИЙ

И СВОЙСТВ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ АЗОТНЫХ

КЛАСТЕРОВ, ИХ АНСАМБЛЕЙ И ПОЛИМЕРНЫХ ФОРМ

Представлены результаты теоретических исследований возможности создания

новых энергоносителей на основе кластерных и полимерных форм немолекуляр-

ного азота, способных запасать энергию в 3 ÷ 4 раза больше , чем известные "хи-

мические" энергоносители, а также полностью выделять запасенную энергию за

короткие времена.

Из наших исследований метастабильных кластеров азота следует, что

принципиально возможно создание нового класса энергоемких веществ

(High Energy Density Materials -HEDM). В нашей работе [1] были пред-

ставлены результаты исследования кластеров азота и их ансамблей. Было

показано, что перспективным кластером для образования квазиодномер-

ных кластеров является кластер N

с конфигурацией типа «лодка». Изучен

процесс выделения энергии из азотных кластеров и ансамблей и показано,

что он происходит при их делении на изолированные молекулы азота N

(в ряде случаев образуются кластеры N

) и приводит к практически пол-

ному выделению запасенной энергии.

В данной работе в рамках первых принципов различными методами

(полуэмпирический PM3, ХФ с учетом MP2, функционал плотности DF с

учетом поправок B3LYP и использованием приближения ECP). Исследо-

ваны конфигурации и свойства более ста видов кластеров азота и их ан-

самблей. Все системы рассчитывались всеми тремя методами

. Важно, что

было показано принципиальная важность для корректного расчета энерге-

тических характеристик азотных кластеров корреляционных поправок.

Для азотных систем получены следующие новые результаты:

Рассчитаны свойства полимерной немолекулярной фазы азота,

имеющей периодическую Гош структуру [2].

Впервые получены результаты для конечных кусочков Гош струк-

туры, обладающих свободной поверхностью. Показано, что на этой по-

верхности неизбежно появляются радикальные атомы азота с неспарен-

ными электронами, что ведет, в определенных условиях, к развитию неус-

тойчивости структуры и её распаду.

3. Получены результаты по стабилизации кусочков Гош структуры

полимерного азота: методом

пассивации радикальных поверхностных

атомов или возможными перестройками приповерхностного слоя этих

образований.

4. Найдена структура поверхностного слоя кусочков Гош фазы, кото-

рая устойчива при нормальных условиях (нулевом давлении), т.е. имеет

спектр колебаний не содержащий мнимых частот.

В результате моделирования (в рамках метода функционала плот-

ности) процесса сжатия молекулярной твердой фазы азота (молекулы N

узлах кристалла) показано, что при давлении порядка 110-150ГПа проис-

ходит фазовый переход в полимерную немолекулярную фазу. Получаю-

щаяся структура имеет преимущественно связи первого порядка. Некото-

рое число пар атомов имеет двойные связи.

Список литературы

1. Елесин В.Ф., Дегтяренко Н.Н., Опенов Л.А. Ансамбли метастабильных кластеров из

элементов, не образующих конденсированного вещества в нормальных условиях // Инже-

нерная физика, №3, с. 2 (2002).

2. Mailhiot C., Yang L.H., McMahan A.K. Polymeric nitrogen. // Phys. Rev. B, v. 46, p. 14419

(1992).

3. Eremets M.I., Hemley R.J., Mao H.K., Gregoryanz E. Semiconducting non-molecular nitro-

gen up to 240 GPa and its low-pressure stability // Nature, v. 411, p. 170 (2001).

4. Eremets M.I. et al. Single-bonded cubic form of nitrogen // Nature Materials, v. 3, p. 558

(2004), J. Chem. Phys. v. 120, p. 10618 (2004).

П.Н. ДЕГТЯРЕНКО

, Н.Н. ДЕГТЯРЕНКО, В.С. КРУГЛОВ

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

РНЦ «Курчатовский институт»

Институт сверхпроводимости и физики твердого тела

МЕЗОСКОПИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

СВЕРХПРОВОДНИКОВ НА ОСНОВЕ УРАВНЕНИЙ

ГИНЗБУРГА-ЛАНДАУ

Рассмотрен метод расчета временных уравнений Гинзбурга-Ландау (ВУГЛ).

На основании этого метода рассчитана и построена двумерная картина изменения

параметра порядка и распределения сверхтока в сверхпроводнике (СП).

Численное моделирование сверхпроводников различной геометрии и

состава привлекает все большее внимание исследователей, особенно в

связи с открытием высокотемпературных сверхпроводников.

На мезоскопическом уровне основными уравнениями, обеспечиваю-

щими описание сверхпроводящего состояния, являются уравнения Гинз-

бурга - Ландау, зависящие от времени (TDGL). Это система нелинейных

уравнений в частных производных для параметра порядка ∆ и электро-

магнитного векторного потенциала

→

Численное моделирование на базе уравнениям TDGL обычно получа-

ют, используя разностные приближения на сетке узлов или методом ко-

нечных элементов. Наиболее распространенным методом расчета TDGL

является

U∆ - метод. В двухмерном приближении в рамках этого метода

наряду с параметром порядка

∆ используются два вспомогательных поля

U и

U , которые связаны с электромагнитным векторным потенциалом

→

[1].

На основании этого численного метода была реализована программа

расчета и исследован процесс проникновения внешнего магнитного поля

в сверхпроводящие образцы различной геометрии и с разным значением

параметра Гинзбурга-Ландау. Зависимость намагниченности от внешнего

поля представленная на на рис. 1, свидетельствует о том, что модель каче-

ственно правильно описывает поведение сверхпроводников во внешнем

магнитном поле. Переход сверхпроводник – нормальный металл для

сверхпроводников второго рода сопровождается входом вихрей. Также

имеет место перегрев мейснеровского состояния (барьер Бина – Ливинг-

стона за счет поверхностного сверхтока).

Рис. 1 Зависимость намагниченности сверхпроводников от внешнего магнитного

поля. Слева – сверхпроводник 2-ого рода (κ=2; сплошная T/Tc = 0.5, сетка (64x64),

константа шума 2•10

-5

; пунктирная T/Tc = 0.05, сетка (96x96), константа шума

2•10

-5

). Справа – сверхпроводник 1-ого рода (κ=0.5, сплошная T/Tc = 0.5, сетка

(64x64), константа шума 2•10

-5

; пунктирная T/Tc = 0.25, сетка (96x96), константа

шума 5•10

-5

)

По данным расчетов визуализированы изменения параметра порядка и

распределения сверхтока в сверхпроводнике различной геометрии. Полу-

ченные данные свидетельствуют о качественно разном поведении пара-

метра порядка и распределении сверхтока в образцах. Показано, что гео-

метрия образца сильно влияет на поведение параметра порядка и распре-

деления сверхтока.

Список литературы

1. Bolech С., Buscaglia G.C., López A.// Phys. Rev. B, v. 52 (RC), p. 15719 (1995).

2. Liu F., Mondello M., Goldenfeld N.// Phys. Rev. Lett., v. 66, p. 3071 (1991).

А.Ю. ОКУНЕВ, Н.И. ЛАГУНЦОВ, С.Д. ДЕМЧЕНКО

ОАО “Аквасервис”, Москва

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНОГО ГАЗОПЕРЕНОСА

В НАНОМЕМБРАННЫХ КОНТАКТОРНЫХ СИСТЕМАХ

Исследованы процессы переноса в мембранных контакторных системах с по-

ристыми каталитическими мембранами и непористыми мембранами. Разработаны

математические модели, использованные для исследования влияния наноразмер-

ных образований катализатора и разработки новых высокопроизводительных

мембранных контакторов на непористых мембранах.

Газожидкостные мембранные контакторы представляют собой разде-

лительные устройства, в которых происходит селективный массообмен

между подвижными газовой и жидкой фазами. Мембрана выполняет

функцию проницаемой границы раздела фаз. Такие устройства перспек-

тивны для удаления кислых газов, газификации и очистки от газов жидко-

стей.

В мировой практике, обычно, в мембранных контакторах используют

пористые мембраны

с размерами пор 20–500 нм. Считается, что использо-

вание пористых мембран является оптимальным, так как наименьшим

образом затрудняет массообмен между фазами. Такое утверждение бази-

руется на предположении локального равновесия на границах раздела фаз,

которое часто не выполняется.

Одним из типов мембранных контакторов являются каталитические

устройства, в которых на одну сторону пористой

мембраны наносят пал-

ладий[1]. Такие контакторы применяют для каталитического удаления

кислорода из воды окислением водорода из газовой фазы на границе раз-

дела вода-мембрана. Оказывается, что процесс при наличии химической

реакции существенно ускоряется, несмотря на то, что количество сдувоч-

ного водорода избыточно. Данный факт опровергает предположение о

локальном равновесии по кислороду на границе раздела мениск жидко-

сти – газ в поре мембраны.

Для корректного описания перечисленных явлений разработано мате-

матическое описание межфазного газопереноса с учетом поверхностных

превращений вещества[2]. Разрабатываемые модели имеют широкую

об-

ласть применимости, и позволяют описывать как процессы газопереноса,

так и процессы гетерофазного катализа в мембранных контакторах.

Применительно к процессу каталитического удаления кислорода из

воды с применением мембранного контактора/реактора разработана

математическая модель, позволяющая анализировать влияние размеров

и формы кластерных групп катализатора на процесс окисления водо-

рода.

Рассмотрен также процесс

газопереноса в мембранных контакторных

системах через непористую полимерную мембрану. Используя подход,

основанный на использовании модели неравновесного межфазного пере-

носа, установлено, что производительность мембранного контактора с

непористой мембраной может быть выше, чем в случае пористой мембра-

ны. Увеличение производительности происходит в том случае, если ско-

рость газопереноса на границе газ-жидкость ниже

, чем на границах газ-

мембрана и мембрана-жидкость, при этом толщина мембраны должна

быть достаточно малой, чтобы снизить диффузионное сопротивление пе-

реносу. Наибольший интерес, для реализации описанного эффекта на

практике представляют собой ассиметричные и композиционные мембра-

ны с тонким селективным слоем, толщиной в десятки нанометров. Для

обеспечения механической стойкости такой

мембраны, тонкий непорис-

тый слой должен наносится на пористую подложку с порами радиусом в

десятки нанометров.

Результаты исследований режимов работы [3] и влияний межфазных

процессов привели к разработке нового плоскорамного мембранного кон-

тактора [4]. В контакторе использована непористая мембрана на основе

ПВТМС с селективным слоем около 150 нм. Низкие значения межфазных

сопротивлений, малая постоянная

толщина жидкостного зазора, парал-

лельная организация течений, и относительно малая длина каналов при-

водят к высокой удельной производительности разработанных контакто-

ров.

Работа выполнена при финансовой поддержке Роснауки (госконтракты

02.515.11.5020 от 26.04.07 и 02.513.11.3358 от 30.07.07) и гранта РФФИ

06–08–01626–а.

Список литературы

1. R. van der Vaart, B.Hafkamp, P.J.Koele, M.Querreveld , A.E.Jansen, V.V.Volkov,

V.I.Lebedeva, V.M.Gryaznov. Proc. of International Conference “Euromembrane 2000”, Erusalem,

Israel, September 24-27, 2000, p.359.

2. Окунев А.Ю., Лагунцов Н.И. О влиянии неравновесной абсорбции на газоперенос в

гетерофазных системах// ТОХТ, М., 2007, т. 41, с 1-8.

3. Окунев А.Ю., Лагунцов Н.И. Селективный массоперенос в мембранном абсорбе-

ре//ИФЖ 2006 т. 79 №5, стр. 26-35.

4. Кожевников В.Ю., Левин Е.В., Лагунцов Н

.И., Окунев А.Ю., Хафизов Р.С. Абсорбци-

онно-десорбционное устройство// Патент на изобретение №2304457, бюл. № 23 от

20.08.2007.

М.А. ДМИТРИЕВА

, В.Н. ЛЕЙЦИН

Томский государственный университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УДАРНОГО СИНТЕЗА

НАНОКОМПОЗИТОВ

Методами компьютерного моделирования исследуются закономерности син-

теза металл-интерметаллических композиционных материалов в процессе дина-

мического уплотнения ультрадисперсных реагирующих порошковых смесей, спо-

собных к экзотермическим химическим превращениям. Изучаются необходимые

условия формирования элементов наноструктуры в процессе механохимических

превращений ударно-нагруженных компактов смесей.

Целью исследования является изучение законов физико-химического

поведения ультрадисперсных многокомпонентных химически реагирую-

щих порошковых систем, способных к самораспространяющемуся высо-

котемпературному синтезу, в условиях динамического нагружения, а так-

же исследование закономерностей реализации различных режимов синте-

за наноструктурных композиционных материалов, перспективных для

использования в качестве компонета конструкционных композиционных

материалов, жаростойких, окалиностойких и износостойких

покрытий в

авиа- и ракетостроении. Рассматриваются условия запуска твердофазных

химических превращений в ударно нагруженных конденсированных сме-

сях, типа Ni-Al, Zr-B. В модели поведения ультрадисперсных химически

реагирующих твердофазных материалов термомеханическое состояние и

фазовый состав рассматриваются одновременно на макро и микроскопи-

ческих уровнях, учитывается возможность перехода к неравновесным

физико-химическим процессам, приводящим к формированию

нанострук-

туры и запуска химических реакций на фронте ударного импульса [1].

Концепция моделирования заключается в следующем: 1. Гетерогенный

порошковый материал, сформированный из смеси реагирующих компо-

нентов и инертного наполнителя, обладает макроскопической структурой

неоднородности концентраций компонентов и удельного объема пор.

Предлагается рассматривать элемент макроскопической структуры кон-

центрационной неоднородности в качестве представительного объема

реагирующей порошковой среды. 2. Механическое воздействие на по-

рошковую смесь реагирующих компонентов может увеличить ее реакци-

онную способность. 3. Вызванный

экзотермичностью механохимических

превращений прогрев может определять фазовые переходы и изменение

агрегатного состояния компонентов гетерогенного порошкового тела –

плавление легкоплавкого компонента. В этом случае реагирующая по-

рошковая среда представляется твердофазным каркасом, насыщенным

расплавом легкоплавкого компонента. 4. Предварительное прессование

порошковой смеси обеспечивает образование связей между частицами,

поэтому к моделированию механического поведения порошкового тела

применим

подход механики пористых сред. 5. Закон сохранения энергии

может быть представлен краевой задачей теплопереноса с источниками и

стоками для реагирующего слоя порошковой среды. 6. Расплав легко-

плавкого компонента порошковой смеси может перемещаться в пористом

твердофазном каркасе под действием градиента порового давления, обес-

печивая конвективный тепло- и массоперенос. Моделирование процессов

тепло- и массопереноса проведено

с позиций механики зернистого слоя. 7.

Макрокинетика безгазовых экзотермических превращений представляется

многоуровневой моделью реакционной ячейки аррениусового типа с пе-

ременными параметрами, зависящими от масштаба структурной неодно-

родности, концентрационно-фазового состава в локальных микрообъемах

реагирующей порошковой среды, степени механической активации. 8.

Необходимым условием формирования наноструктурного состояния в

локальных микрообъемах ультрадисперсных порошковых смесей счита-

ется выполнение критерия запуска неравновесных процессов синтеза,

объединяющего условия малости степени химических превращений, дос-

тижения требуемой степени механической активации компонентов смеси,

изменения агрегатного состояния реагирующей среды, выполнения стати-

стического критерия реализации «турбулентного» режима уплотнения

Ю.И. Мещерякова.

В ультрадисперсных порошковых реагирующих материалах области

нестационарного режима динамического уплотнения представляют наи-

более вероятные

зоны формирования наноразмерных субструктур про-

дукта ударного синтеза. Формирование нанокомпозитов возможно в ре-

зультате нестационарных физико-химических процессов, обеспечиваемых

неоднородностями фазового состава, процессами пластического дефор-

мирования порошковых частиц, турбулентным характером массопереноса

на фронте ударного импульса.

Работа выполнена при финансовой гранта Президента РФ (№ МК-

1688.2007.3.)

Список литературы

1. Лейцин В. Н.,. Дмитриева М.А Моделирование механохимических процессов в реаги-

рующих порошковых средах // Томск: Изд-во НТЛ, 2006.

В.Е. ДМИТРИЕНКО

, Е.Н. ОВЧИННИКОВА

, Д.И. БАЖАНОВ

К.A. КОЗЛОВСКАЯ

, А.П. ОРЕШКО

, Е.В. ТРОШКОВ

Э.Х. МУХАМЕДЖАНОВ

, М.М. БОРИСОВ

, А.Н. МОРКОВИН

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова,

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

РНЦ "Курчатовский институт", НТК КЦСИиНТ

МНОГОМАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

РЕЗОНАНСНОЙ ДИФРАКЦИИ СИНХРОТРОННОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

Резонансная дифракция возникает, когда энергия дифрагирующих фотонов

синхротронного излучения оказывается вблизи края поглощения исследуемого

типа атомов в кристалле. Она весьма чувствительна к смещениям атомов и к их

электронным и магнитным характеристикам, в том числе к изменению этих харак-

теристик в тонких слоях. Поэтому моделирование резонансной дифракции вклю-

чает моделирование фононных и

электронных свойств на атомном уровне, учет

симметрии структуры, и только затем моделирование собственно дифракции. Все

эти этапы демонстрируются в докладе на примере кристаллов Ge и ZnO.

В докладе представлены результаты исследования структурных, фо-

нонных и электронных свойств кристаллов с использованием высокочув-

ствительного селективного метода – резонансной дифракции рентгенов-

ского излучения вблизи краёв поглощения атомов (см. обзоры [1–3]).

Представлены теоретические исследования, моделирование фононных

смещений атомов и соответствующих спектров дифракционных отраже-

ний с помощью различных компьютерных программ, а также сравнение

результатов

моделирования с экспериментальными данными, полученны-

ми на синхротронах в Цукубе, Гренобле, Гамбурге, Дарсбери, а в самое

последнее время и в Москве. При резонансной дифракции рентгеновского

излучения происходит виртуальное возбуждение электрона с внутренних

оболочек атома в незаполненные электронные зоны кристалла. Именно

поэтому она позволяет селективно исследовать различные атомы в кри-

сталле, а энергетические спектры дифракционных отражений весьма чув-

ствительны к атомному окружению, а также к электронным и фононным

свойствам. В частности, в этой области энергий резонансная часть рентге-

новского атомного фактора оказывается анизотропным тензором, отра-

жающим локальную симметрию атомного положения и радикально

изме-

няющим поляризационные свойства дифракции.

В докладе подробно рассматриваются несколько наиболее интересных

примеров: индуцированные фононами запрещенные рефлексы в кристал-

лах Ge и ZnO; резонансные рефлексы в несоразмерных структурах; пол-

ное измерение (включая фазу [4]) анизотропии рентгеновской восприим-

чивости; эффекты, связанные с локальной хиральностью атомов в кри-

сталлах и т.п. Обсуждается возможность использования

резонансной ди-

фракции для исследования нанослоев и квантовых точек. Приводятся

спектры резонансной дифракции в случае запрещенных рефлексов (006) и

(222) в кристалле Ge, полученные на синхротронном источнике в РНЦ

"Курчатовский институт" [4].

Работа поддержана грантом РФФИ № 07-02-00324.

Список литературы

1. Дмитриенко В.Е.,Овчинникова Е.Н. Резонансная дифракция рентгеновских лучей на

кристаллах: новый метод исследования структуры и свойств материалов. // Кристаллогра-

фия, т. 48. с. S59 (2003).

2. Dmitrienko V. E., Ishida K., Kirfel A., Ovchinnikova E. N. Polarization anisotropy of X-ray

atomic factors and forbidden resonant reflections. // Acta Crystallographica, v. A61, p. 481 (2005);

(имеется свободный доступ к этому обзору на сайте www.iucr.org

3. Lovesey S. W., Balcar E., Knight K. S., Fernández-Rodríguez J., Electronic properties of

crystalline materials observed in X-ray diffraction. // Phys. Rep. v. 411, p. 233 (2005).

4. Мухамеджанов Э.Х., Борисов М.М., Морковин А.Н., Антоненко А.А., Орешко А.П.,

Овчинникова Е.Н., Дмитриенко В.Е. Абсолютная интенсивность и фаза резонансного рас-

сеяния рентгеновских лучей в кристалле германия. // Письма в ЖЭТФ, т. 86, с. 897 (2007).

А.М. ДОБРОТВОРСКИЙ

, Д.Ю. УСАЧЕВ, В.К. АДАМЧУК

Санкт-Петербургский государственный университет

ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОЦЕНТРОВЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ

В ЗАДАЧАХ МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ

И СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Развитие нанотехнологий, ставит ряд актуальных задач в области ком-

пьютерного моделирования структуры и свойств наноматериалов. Осо-

бенность многих из этих объектов состоит в том, что для них затруднено

получение прямых и надежных экспериментальных данных. В частности,

это относится к параметрам структурной стабильности и долговечности

нанообъектов.

Для оценки и прогнозирования служебных свойств наноматериалов, с

одной стороны, необходимо иметь структурные, электронные, энергети-

ческие параметры атомарно-молекулярного уровня, с другой стороны

требуется теория и методики, позволяющие оценить на базе микропара-

метров макроскопические

характеристики объектов.

Эффективный метод решения задачи дает применение многоцентро-

вых потенциалов межатомного взаимодействия, которые сочетают в себе

ряд возможностей квантовомеханической теории с простотой и гибкостью

атом-атомных потенциалов. Использование таких потенциалов в комби-

нации с методами математической и статистической физики или с мето-

дами молекулярной динамики позволяет получить широкий спектр

дан-

ных о наноматериалах.

В докладе дано краткое изложение теории многоцентровых потенциа-

лов, построенных на основе квазифермионного приближения [1, 2]. Эти

потенциалы помимо прямых короткодействующих атом-атомных взаимо-

действий учитывают эффекты электронной делокализации, переноса

электронного заряда, косвенного электронного влияния в многоатомных

системах.

В качестве примеров приложений многоцентровых потенциалов к ис-

следованию наноматериалов приводятся

результаты решения трех задач.

С целью оценки долговечности носителей информации, кодирование

которой осуществляется путем воздействия сверхтонкого острия-зонда на

поверхность твердого тела, выполнено моделирование рождения и мигра-

ции собственных дефектов золота в области нанометровых углублений и

бугорков с учетом кривизны поверхности [3]. Оценены кинетические па-

раметры динамики выравнивания поверхности. Сделан прогноз

долговеч-

ности и термической стойкости нанометровых образований на поверхно-

сти металла.

Исследована относительная устойчивость твердых фаз лантан-углерод

в нанометровых слоях металла на поверхности графита. Показано, что в

пленках двойные системы способны образовать структурные модифика-

ции не стабильные в объемных фазах, такие как графитид лантана. Ква-

зидвумерные твердые фазы могут обладать

особыми электрическими и

магнитными свойствами, представляющими интерес для создания элек-

тронных приборов.

Выполнено моделирования слоев графена на низкоиндексных и высо-

коиндексных гранях никеля [4]. Установлено, что на желобчатых поверх-

ностях плоская в свободном состоянии углеродная сетка изгибается и об-

разует гофры, напоминающие поверхности нанотрубок. При этом сохра-