Автореферат (Моделирование физических процессов в твердотельных и жидкокристаллических наноструктурах)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиБедрина Марина ЕвгеньевнаМОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ И ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХНАНОСТРУКТУРАХСпециальность 05.13.18 – математическое моделирование, численные методыи комплексы программАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукСанкт-Петербург2017Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательномучреждениивысшегообразования«Санкт-Петербургскийгосударственныйуниверситет».Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессорЕгоров Николай ВасильевичОфициальныеоппоненты:доктор физико-математических наук, профессор, членкорреспондент РАН Черепенин Владимир Алексеевич (Институтрадиотехники и электроники имени В.

А. Котельникова РАН)доктор физико-математических наук, профессор КоточиговАлександр Михайлович (Санкт-Петербургский государственныйэлектротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова(Ленина) (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»))доктор физико-математических наук, ведущий научныйсотрудник Маслов Владимир Григорьевич (Федеральноегосударственное автономное образовательное учреждениевысшего образования «Санкт-Петербургский национальныйисследовательский университет информационных технологий,механики и оптики»)Ведущая организация:Федеральное государственное образовательное учреждениевысшего профессионального образования «Московский физикотехнический институт (государственный университет)»Защита состоится «21» июня 2017 года в 15:30 часов на заседании Диссертационногосовета Д 212.232.50 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидатанаук, на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургскомгосударственном университете по адресу: 199178, Санкт-Петербург, 10-я Линия В.О.,д.

33, Интститут Наук о Земле СПбГУ, ауд. 74.Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просьба направлять по адресу 198504,г. Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., д. 35 ученому секретарюдиссертационного совета Д 212.232.50 Г.И. Курбатовой.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького СанктПетербургского государственного университета по адресу: 199034, Санкт-Петербург,Университетская наб., 7/9 и на сайте http://spbu.ru/Автореферат разослан «» __________ 2017 г.Ученый секретарьДиссертационного совета,доктор физ.-мат. наук,профессорКурбатова Г. И.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыМатематическоемоделированиеявляетсяважныминструментомфундаментальной науки и оказывает содействие развитию нанотехнологий.Проектирование соединений с заданными свойствами можно реализовать в рамкахматематической модели, не проводя на начальном этапе сложных синтезов итехнологических испытаний.

Это намного дешевле и не связано с опасностью дляздоровья экспериментаторов при работе с токсичными и взрывоопасными веществами.Для количественной оценки характеристик наноструктур необходимо использоватьматематический аппарат квантовой механики и численные методы, что требуетприменения мощной современной вычислительной техники.Наноструктуры и композитные материалы нередко образуются из нейтральныхмолекул, кластеров и ионов, то есть соединений, имеющих замкнутую электроннуюоболочку. В этом случае в основе их образования лежит не химическая связь, котораяхарактерна для частиц,имеющих неспаренные электроны, аболее слабыемежмолекулярные взаимодействия сложной природы.В настоящее время крайне актуально создать математическую модель дляописаний взаимодействий различного типа и в дальнейшем проектировать структурыновых материалов и физические процессы, такие как фотоионизация, адсорбция идиссоциация на поверхности, самоорганизация в растворах.Межмолекулярные взаимодействия могут существенно изменять свойстваисследуемых систем.

Процессы, происходящие в белках и в жидкокристаллическойфазе, адсорбция и катализ, существование реальных газов, «водородная связь», котораяответственна за многие специфические взаимодействия в газах и жидкостях – все этипроцессы определяются межмолекулярными силами различной природы.Современная квантовомеханическая теория межмолекулярных взаимодействийбыла развита в работах Э. Бэкингема, П.

Клаверье, П. Шустера, Б. Пюльмана,И. Г. Каплана, А. В. Тулуба, Р. Рейна, Ю. С. Бараша, Дж. Маррела. Влияниемежмолекулрных сил на спектральные характеристики растворов исследовалось втеории Н. Г. Бахшиева, Ю. И. Наберухина, в работах М. О. Буланина, Н. Д. Соколова,И. С. Перелыгина, взаимодействия на поверхности твердых тел изучалисьР.А.

Эварестовым, А.В. Бандурой, В. И. Лыгиным и другими авторами. Однако,свойства образующихся в результате моделирования наноструктур требуютдальнейшего рассмотрения.Взаимодействия газов и жидкостей с поверхностями твердых тел необходимоучитывать во многих областях прикладной науки, таких как гетерогенный катализ,микроэлектроника, кораблестроение, геология. Тем самым актуально математическоемоделирование процессов, происходящих на поверхности подложек, катодов,композитных материалов.

Особенно это важно для такой специфической молекулы, какмолекула воды. В свою очередь, адсорбированная молекула вызывает структурныеизменения кристаллической поверхности.Механизм образования жидкокристаллической фазы практически не изучалсяметодами квантовой механики. В нем одновременно важную роль играютдальнодействующие электростатические взаимодействия (в первую очередь дипольдипольные), обменное отталкивание, водородные связи и дисперсионныевзаимодействия. В результате образуются структуры доменов, в которых присутствуют3элементы упорядоченной кристаллической структуры, дальний порядок в мезофазенарушен.Хранение и транспортировка микрочастиц в полости наноструктур активновостребована в медицине и водородной энергетике. Моделированию наноконтейнеров инаностержней, обсуждению возможности использования их в качестве материаловособой прочности, процессу заполнения наноконтейнеров легкими атомами водорода идругими частицами следует уделить особое внимание.Благодаря уникальному набору физических и химических свойств, исследованныев диссертации металлорганические соединения фталоцианинови порфириновпривлекают интерес исследователей в области химии, биологии, медицины,наноэлектроники, биотехнологии, материаловедения.

На их основе созданыкатализаторы, сенсоры, лекарственные средства, органические полупроводники, жидкиекристаллы и материалы для нелинейной оптики. Соединения редкоземельных элементовиспользуются в качестве светоизлучающих слоев, так как они обладают интенсивнойфото- и электролюминесценцией, а фталоцианинаты лантаноидов применяются вмедицине для диагностики и лечения онкологических заболеваний.Наиболее важные характеристики наносистем определяются электроннымстроением входящих в них молекул и ионов и силами различной природы, которыесвязывают частицы.

Математическое моделирование свойств наноструктур позволяетсоздавать новые функционально-ориентированные материалы и существенно улучшатьих свойства.Целью работы являлось создание математических моделей взаимодействийразличной природы, происходящих на наноразмерном уровне, определениеравновесной геометрии наноструктур и вычисление их энергетических, динамических испектральных характеристик с перспективой возможного синтеза соединений сзаданными свойствами.Методы исследованияОсновными методами исследования являются методы математическогомоделирования, численного эксперимента, методы современной вычислительнойфизики и квантовой механики с применением функционального анализа, линейнойалгебры, теории вероятности и математической статистики.Основные положения и результаты, выносимые на защиту1.Математическаямодельквантово-механическогоразделенияэнергиимежмолекулярного взаимодействия на составляющие в расчетах методомсамосогласованногополяиопределенияинтегральнойфункцииперераспределения электронной плотности вдоль линии межмолекулярной связи.2.Математическая модель учета внешнего поля, действующего на систему вконтинуальной среде и в кристалле.3.Результаты исследования природы межмолекулярного взаимодействия в системеLi+·NH3и интерпретация изменения спектральных характеристик вконденсированной фазе ряда органических молекул на основании предложенныхматематических моделей.4.Результатыквантовомеханического моделирования адсорбции водынаповерхности кристаллов MgO, ZnO, CaO.45.6.7.8.Результатыисследованияжидкокристаллическойфазынапримерецианобифенилов, расчет структуры и спектральных характеристик ассоциатовпри учете поля континуальной среды.Методика поиска энергетически выгодных структур наностержней, углеродных исилоксановых наноконтейнеров для хранения и транспортировки частиц.Моделирование процесса заполнения наноконтейнеров водородом.Методика оценки ионизационных и электропроводящих свойств наноматериаловна основе производных порфиринов и фталоцианинов.

Расчет структурных,спектральных и фотоэлектронных характеритик новых материалов, улучшающиххарактеристики солнечных батарей.Комплекс программ, реализующий предложенные математические моделиразделения энергий взаимодействия и учета внешнего поля.Научная новизнаОригинальность предлагаемой в работе модели заключается во включении вуравнение Шредингера внешнего потенциала взаимодействия.

Этот подход позволяетпомимо анализа природы парных взаимодействий вводить заданное поле, действующеена атом или на всю систему. Предложенные алгоритмы разработаны и реализованы впрограммном пакете лично автором.Применение теории функционала плотности с большим количеством различныхдоступных гибридных потенциалов позволило исследовать сложные системы,состоящие из сотен атомов, и вычислить широкий спектр их физико-химическиххарактеристик. Выносимые на защиту результаты компьютерного моделированиянаноструктур являются новыми, все они опубликованы в открытой печати.Теоретическая и практическая значимость работыЭкспериментальное исследование свойств наноматериалов требует большихматериальных затрат, поэтому очевидна актуальность расчета их свойств с помощьюкомпьютерного моделирования.

Развитые в диссертационной работе теоретическиеметоды анализа межмолекулярных взаимодействий позволяют построить потенциалы,необходимые для методов молекулярной динамики. Выполненное функциональноориентированное моделирование и исследование наноструктур способствует ихиспользованиювсовременныхтехнологияхводороднойэнергетики,вматериаловедениии и при конструировании элементов солнечных батарей.Реализация и внедрение результатов работыРазработанные математическая модель, методики расчетови найденные спомощью компьютерного моделирования энергетически выгодные наноструктуры,обладающие уникальными физическими свойствами, могут быть использованы вразличных областях прикладной науки. Предложен новый эффективный фотоэлементдля использования в солнечных батареях, на который получено авторское свидетельство«Способ изготовления твердотельного фотоэлемента на основе фталоцианина дляпреобразования световой энергии в электрическую» Патент РФ №2012132867 от 2013года.Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечены корректнымприменением методов математического моделирования,квантовой механики иквалифицированным использованиемсовременной вычислительной техники.5Программы, реализующие предложенные модели прошли отладку и тестирование,полученные с их помощью результаты хорошо согласуются с известнымиэкспериментальными данными.ПубликацииОсновное содержание диссертации отражено в 38 печатных работах, 21 из которыхопубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ.Апробация работыОсновные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Tenthinternational vacuum electron sources conference IVESC 2014 (St.-Petersburg, Russia), IIIInternational Conference in memory of V.I.Zubov “Stability and Control Processes” (St.Petersburg, Russia, 2015), Всероссийской конференции, посвященной 80-летию со днярождения В.