Диссертация (Моделирование физических процессов в твердотельных и жидкокристаллических наноструктурах), страница 2

В этом случае в основе их образованиялежит не химическая связь, которая характерна для частиц,неспаренные электроны, аимеющихболее слабые электромагнитные взаимодействиясложной природы.Межмолекулярные взаимодействия (ММВ) могут существенно изменятьсвойства исследуемыхсистем. Громадную роль они играют и в реальнойжизни.

Процессы, происходящие в белках и в жидкокристаллической фазе,адсорбция и катализ,существование реальных газов, «водородная связь»,которая ответственна за многие специфические взаимодействия в газах ижидкостях – все эти процессы определяются межмолекулярными силамиразличной природы. Существует немалофеноменологических теорий дляполуколичественного описания тех или иных процессов в различных фазовых5состояниях вещества. В частности ММВ можно отслеживать по изменениюспектральных характеристик [11].Методы молекулярной динамики позволяют во многих случаях достаточнохорошо интерпретировать явления, происходящие в конденсированной фазе,однако они основаны на приближенных модельных межмолекулярныхпотенциалах, которые не позволяют учесть все виды специфики и анизотропиивзаимодействия, за которые ответственны обменные квантово-механическиеэффекты.Несмотря на большой объем в современных международных журналахквантовохимических работ, исследованию межмолекулярных взаимодействий,аспекту их применения в прикладной науке и в технологиях уделяется маловнимания.Это,по-видимому,объясняетсясложностьюквантово-механического исследования больших слабосвязанных систем.

Большинствопрограммных пакетов, предназначенных для квантовохимических расчетовосновываясь на заложенной в них теории, способны хорошо описать системы спрочными химическимисвязями, в крайнем случае, донорно-акцепторными,но не системы со слабыми ван-дер-ваальсовами или дисперсионнымивзаимодействими.Проектирование соединений с заданными свойствами можно реализовать врамках математической модели, не проводя на начальном этапе сложныхсинтезов и технологических испытаний. Это намного дешевле и не связано сопасностью для здоровья экспериментаторов при работе с токсичными ивзрывоопасными веществами.

Современная вычислительная техника позволяетрешать эти задачи с точностью достигающей, а в некоторых случаяхпревышающей экспериментальную при условии разработки адекватныхматематических моделей и компьютерных программ.6Актуальность работыВ настоящее время крайне актуально развить математическую модель дляописаний взаимодействий различного типа и в дальнейшем проектироватьструктурыновыхматериаловифизическиепроцессы,такиекакфотоионизация, адсорбция и диссоциация на поверхности, самоорганизация врастворах.Современнаяквантовомеханическаятеориямежмолекулярныхвзаимодействий подробно изложена в книге Каплана [33].КлассификацияММВ основана на теории возмущений Релея-Шредингера [33] Условно ихможно разделить на электростатические, обменные, поляризационные идисперсионныевзаимодействия,однаковсеониимеютобщуюэлектромагнитную природу.В первой главе диссертации обсуждаютсяпомощьюкоторыханализируетсяприродаматематические модели, смежмолекулярныхсилиисследуются свойства систем в электромагнитных полях, создаваемыхокружением.Для этой цели предлагается в стационарное уравнениеШредингера включать операторы возмущения определенной заданной формы ис ними проводить вычисления.

Разделение полной энергии взаимодействия,полученной вариационным методом, на составляющие в соответствии стеориейвозмущенийсоздаватьмодельныеРелея-Шредингера,потенциалыдляпозволитнаилучшимстатистическихобразомрасчетов.Этивозможности реализованы в оригинальных алгоритмах, на основании которыхнамибыласоставлена,протестированаизарегистрированамодифицированная программа расчета электронной структурыпо методуХартри-Фока-Рутана в базисе гауссовых орбиталей HFR-G2M.Во второй главе разработанная методика применяется к исследованиюсистемспринципиальноразличнымивидамивзаимодействий:электростатическим, ион-молекулярным, донорно-акцепторным. В результате с7помощьюэтойметодикиудалосьрассчитатьизменениеэлектронныххарактеристик под воздействием межмолекулярных сил и объяснить некоторыеспорные экспериментальные факты.Взаимодействия газов и жидкостей с поверхностями твердых телнеобходимо учитывать во многих областях прикладной науки, таких какгетерогенныйкатализ,микроэлектроника,кораблестроение,геология.Межмолекулярные взаимодействия, которые происходят на поверхноститвердых тел, с большим трудом поддаются экспериментальным исследованиям.Даже с помощью самых современных спектральных приборов сложноопределитьнананоразмерномуровне,какойструктуройобладаетадсорбированный или напыленный тонкий слой и как изменяются свойствасоставляющих его частиц.

Тем самым особенно актуально становитсяматематическое моделирование процессов, происходящих на поверхностиподложек, катодов, композитных наноматериалов. Особенно это важно длятакой специфической молекулы как молекула воды. В свою очередь,адсорбированная молекула вызывает структурные изменения кристаллическойповерхности.

Исследованию механизма взаимодействия молекулы воды споверхностями кристаллов в рамках кластерной модели посвящена третьяглава.Жидкокристаллическая фаза является особым состоянием вещества. Приее образовании конкурируют короткодействующие и дальнодействующиемежмолекулярные силы, образуя структуры доменов, в которых присутствуютэлементы упорядоченной кристаллической структуры, а дальний порядокнарушается. Механизм образования жидкокристаллической фазы методамиквантовой механики практически не изучался. В нем одновременно важнуюроль играют дальнодействующие электростатические взаимодействия (впервую очередь диполь-дипольные), обменное отталкивание, водородные связии дисперсионные взаимодействия. Достаточно слабые ван-дер-ваальсовывзаимодействия,ответственныезаобразованиеассоциатовв8жидкокристаллической фазе, сложно рассматривать в рамках существующихтеорий.Применениетеорииспециально подобраннымифункционалапотенциаламиэлектроннойплотностисопозволило исследовать этисистемы.

В четвертой главе диссертации изучаются процессы, происходящие вжидкокристаллической фазе, и рассчитываются оптические характеристикиассоциатов на примере одного из характерных представителей жидкихкристаллов – замещенного цианобифенила СВ5.Хранение и транспортировка микрочастиц в полости наноструктурактивно востребована в водородной энергетике, в медицине и в различныхтехнологияхпоследнеевремя.Моделированиюнаноконтейнеровинаностержней, обсуждению возможности использования их в качествематериалов особой прочности, процессу заполнения наноконтейнеров легкимиатомами водорода и другими частицами посвящена пятая глава.В последних главах диссертации, шестой и седьмой,металлорганическиесоединенияфталоцианиновиисследуютсяпорфиринов.Наноструктуры, которые они образуют в основном за счет достаточно прочнойдонорно-акцепторной связи, имеют очень важное прикладное значение иобладаютрядомуникальныхсвойств.Перспективностьиспользованияметаллофталоцианинатов обусловлена целым рядом обстоятельств.

Технологияизготовления приборов на основе металлофталоцианинатов значительно прощеиэкономичнеетехнологииихизготовлениянанеорганическихполупроводниках, так как в качестве подложек могут быть использованыдешевые, гибкие материалы; нет ограничений по площади при созданиисолнечных элементов. В настоящее время актуальным является разработкапроизводительных, надежных и недорогих солнечных батарей на основеорганических материалов. Фотопроводимость, возбуждаемая в видимойобластиспектра,открываетширокиефталоцианинатов в солнечной энергетике.возможностиприменения9Фталоцианинат меди используется в качестве дырочного полупроводника.Фталоцианинаты цинка по своим свойствам напоминают фталоцианинатымеди,номогутоказатьсяболееперспективнымивразвивающихсянанотехнологиях.

Структуры с цинком в качестве центрального атома являютсяинтересными объектами исследования, они наиболее подробно исследованы вдиссертации.Соединенияредкоземельныхэлементовиспользуютсявкачествесветоизлучающих слоев, так как они обладают интенсивной фото- иэлектролюминесценцией, а фталоцианинаты лантаноидов применяются вмедицине для диагностики и лечения онкологических заболеваний.Для порфиринов характерна плоская структура и электрофизическиехарактеристики, подобные фталоцианинатам. Квантовые свойства графенапозволяют говорить о его большой перспективности в нанотехнологияхбудущего.Благодаря уникальному набору физических и химических свойств, всевышеперечисленные вещества привлекают интерес исследователей в областихимии,биологии,медицины,наноэлектроники,биотехнологии,материаловедения и многих других областей науки.

На их основе созданыкатализаторы,сенсоры,лекарственныесредства,органическиеполупроводники, жидкие кристаллы и материалы для нелинейной оптики.Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, былииспользованы различные функционалы метода DFT и проанализированы ихвозможности.