ФХ-2021

Д.А. Рыжкова, С.Л. Гафнер, Ю.Я. Гафнер
ФГБОУ ВО «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»

Аннотация: В настоящее время серебро активно применяется в микроэлектронике, в основном благодаря своей высокой электро- и теплопроводности. Учет процессов взаимодействия между металлом и световой волной (плазмонные эффекты) дает совершенно новые технические приложения серебра. Эти приложения становятся возможными благодаря сильному взаимодействию между падающим светом и свободными электронами в наноструктурах. К настоящему времени уже стало понятно, что размер, форма и структура наночастиц определяют их плазмонные свойства, в том числе резонансные частоты. Следовательно, подгонкой размера, внешнего вида металлической наноструктуры и ее внутреннего строения, можно управлять светом с очень большой степенью точности. В данной работе методом молекулярной динамики с использованием модифицированного потенциала сильной связи TB-SMA (second moment approximation of tight-binding) были изучены границы термической стабильности различной исходной структурной фазы в малых кластерах серебра с числом атомов, соответствующим «магическим» числам ГПУ структуры. Было показано, что характер термически индуцированных структурных переходов в исследуемых группах нанокластеров резко отличается. Данный факт может позволить создать малые кластеры серебра с требуемым внутренним строением.
Ключевые слова: нанокластеры, серебро, компьютерное моделирование, «магические» числа, ГПУ структура, сильная связь

Н.А. Панькин
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева»

Аннотация: Исследование структуры нанокластеров при различных температурах является актуальной задачей современного материаловедения. Данный факт обусловлен перспективой их применения при создании материалов с уникальными физическими, механическими, химическими и эксплуатационными свойствами. Компьютерное моделирование проводилось методом классической молекулярной динамики в программном комплексе LAMMPS. Для описания межатомного взаимодействия в кластере использовалась модификация многочастичного потенциала Финниса-Синклера. Проведено изучение структуры нанокластеров титана различного размера. Они получены при различных скоростях охлаждения из жидкого состояния. Увеличение скорости охлаждения приводит к формированию субблочной структуры и росту числа атомов с неупорядоченным окружением. Они обусловлены тем, что большие скорости охлаждения препятствуют равновесному протеканию процессов перестройки атомной структуры с формированием дальнего порядка. Областей с икосаэдрической структурой не обнаружено. Показано, что температура кристаллизации и энергия связи уменьшаются при убывании размера нанокластера. Рост скорости охлаждения увеличивает разницу температур точек начала и конца кристаллизации, соответственно. Результаты моделирования свидетельствуют о менее выраженной размерной зависимости температуры кристаллизации – её оценочное значение для макроскопической системы (810К) гораздо ниже значения для массивного титана (1940К).
Ключевые слова: нанокластер, энергия связи, температура кристаллизации, скорость охлаждения, структура, метод молекулярной динамики

В.С. Мясниченко, П.М. Ершов, К.Г. Савина, А.Д. Веселов, С.С. Богданов, Н.Ю. Сдобняков
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

Аннотация: В данной работе исследуются закономерности структурообразования на примере биметаллических наночастиц Au–Ag, Ti–Al, Ti–V. Данные биметаллические наночастицы обладают различным размерным несоответствием и различной температурой кристаллизации. Проведены серии молекулярно-динамических экспериментов, по результатам которых проанализированы конечные конфигурации с наименьшей энергией и получены концентрационные зависимости энергии смешения. Анализ концентрационных зависимостей энергии смешения позволяет прогнозировать составы и размеры биметаллических наночастиц, которые могут проявлять нестабильность, как например для биметаллических наночастиц Ti–V. Асимметричность отдельных концентрационных зависимостей энергии смешения свидетельствуют о специфических структурных превращениях, характерных именно для данного состава и размера. Установлено, что для биметаллических наночастиц Au–Ag, Ti–Al характерна структурная сегрегация, и она активно проявляется при малых концентрациях более легкоплавкого компонента. Конкурирующими фазами в данном случае выступают ГЦК и ГПУ фазы. Кроме того, для средних из рассматриваемых в статье размеров исследована зависимость температуры кристаллизации от состава биметаллических наночастиц.
Ключевые слова: метод молекулярной динамики, потенциал сильной связи, биметаллические наночастицы, структурообразование, температура кристаллизации, энергия смешения, стабильность

М.Д. Малышев¹, S-H. Tung², П.В. Комаров^1,3
1 ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
² National Taiwan University/Institute of Polymer Science and Engineering
³ ФГБУН «Институт элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН»

Аннотация: В данной работе мы сообщаем о результатах сравнительного атомистического моделирования двух систем, содержащих функцианализированные фуллерены метилового эфира фенил- C₆₁-масляной кислоты (PC₆₁BM) и фенил- C₇₁ — масляной кислоты (PC71BM) в присутствии растворителя 8,1-октандитиола (ODT ). Для реализации расчетов использовался метод молекулярной динамики на базе программного пакета LAMMPS. Зафиксировано принципиальное различие в упаковке молекул PC₆₁BM и PC₇₁BM. В случае систем с PC₆₁BM наблюдается тенденция к постепенному разделению растворителя и фуллеренов. При этом в образцах с PC₇₁BM наблюдается тенденция к формированию устойчивых трехмерных сетчатых структур, образованных двумя взаимопроникающими фазами: фуллеренами и молекулами ODT . С целью проверки масштабируемости наблюдаемого структурного упорядочения для смеси PC₇₁BM с ODT было выполнено моделирование в ячейке с удвоенным размером ребер. В этом случае мы также наблюдаем формирование биконтинуальных структур из фуллеренов и растворителя.
Ключевые слова: атомистическая молекулярная динамика, модифицированные фуллерены, высококипящий растворитель, сетки, биконтинуальные структуры

Р.М. Белякова, Э.Д. Курбанова, В.А. Полухин
ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»

Аннотация: Для получения сверхчистого водорода мембранной технологией вместо дорогостоящих сплавов Pd рассмотрены более дешёвые на основе металлов Nb и V . Накапливаемый в матрицах обычных мембран водород формирует специфические полиэдрические плотноупакованные гидридные образования особенно с повышение температур от 473 до 673 К и риском разрушения мембран. Благодаря легированию титаном этих сплавов повысились рабочие характеристики мембран: диффузия и проницаемость водорода, прочность, износоустойчивость и термостабильность. В кристаллических аналогах проблема образования гидридов также была решена повышением концентрации Ti с формированием эвтектических фаз в тройных составах сплавах, например, Nb_85-xTi_xNi₁₅ и V_85-xTi_xNi₁₅. С формированием в указанных составах соединений NiTi и NiTi₂ образование гидридов блокируется даже при нагреве, благодаря устойчивым процессам водородной селективности.
Ключевые слова: легирование Ti, тройные сплавы Nb–Ni–Ti, V–Ni–Ti, гидрирование, абсорбция, диффузия, водородопроницаемость, формирование фазы, гидриды Me–H, охрупчивание, дуплексная матричная микроструктура

М.Е. Беленков, В.М. Чернов
ФГБОУ ВО «Челябинский государственный университет»

Аннотация: Моделирование кристаллической и электронной структуры слоев гексагонального графена, на поверхность которых были химически адсорбированы гидроксильные группы, было выполнено методом теории функционала плотности. В результате расчетов была установлена возможность устойчивого существования пяти структурных разновидностей COH–L₆ слоев. Слоевая плотность изменяется от 1,62 до 1,72 мг/м2. Длина водород-кислородной связи варьируется в диапазоне от 1,046 до 1,079 Å, а углерод-кислородной связи – от 1,455 до 1,465 Å. Ориентация O–H связей относительно плоскости слоев может варьироваться в зависимости от выбора элементарной ячейки слоя. Минимальной энергией сублимации и равной 18,69 эВ/(COH) обладает слой COH–L₆–T4, а максимальную энергию сублимации 18,93 эВ/(COH) имеет слой COH–L₆–T1. Электронная структура всех COH слоев характеризуется наличием прямой запрещенной зоны на уровне энергии Ферми, изменяющейся в диапазоне от 3,02 до 4,56 эВ.
Ключевые слова: графен, химическая адсорбция, гидроксильные группы, ab initio расчеты, кристаллическая структура, электронные свойства, полиморфизм

В.Г. Алексеев¹, П.О. Бабуркин¹, S. Tung², П.В. Комаров^1,3
1 ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
² National Taiwan University/Institute of Polymer Science and Engineering
³ ФГБУН «Институт элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН»

Аннотация: Надмолекулярная организация сопряженных полимеров сильно влияет на подвижность носителей заряда и, следовательно, на свойства производимых электронных устройств на их основе. Поэтому является важным научится строить вычислительные модели способные воспроизводить структуру таких полимеров с максимально возможной точностью. Одной из главных движущих сил процесса самосборки надмолекулярных структур в сопряженных полимерах является  π–π взаимодействие. Его учет является достаточно трудной задачей, особенно при построении мезомасштабных моделей. В данной работе мы используем теорию функционала электронной плотности для отработки методики расчета сопряженных полимеров с учетом π–π взаимодействия. Были изучены геометрические характеристики пачек из четырех молекул тетратиофена. Выполненные расчеты показывают, что использование функционала M06-2X-D3 позволяет корректно моделировать взаимодействия молекул олиготиофенов и структуру образующихся агрегатов, в то время как полуэмпирические расчёты методом PM7 сопряженных полимеров пригодны лишь для быстрой предварительной оптимизации моделей. Разработанная методика расчетов имеет важное значение для параметризации мезомасштабных схем моделирования.
Ключевые слова: органические солнечные элементы, органические полимеры, тиофены, квантово-химические расчеты, π–π стекинг-взаимодействие

В.М. Юров¹, В.И. Гончаренко², В.С. Олешко², С.А. Гученко^1
1 Научно-исследовательский центр Карагандинского университета имени Е.А. Букетова
² Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)

Аннотация: В работе рассмотрены вопросы анизотропии поверхностного слоя и анизотропии поверхностной энергии кубических кристаллов рутения. В основе этого рассмотрения лежит эмпирическая модель атомарно-гладких кристаллов, толщина поверхностного слоя которых зависит от одного фундаментального параметра – атомного объема элемента. Расчеты кристаллов рутения показали, что толщина поверхностного слоя кристаллов рутения во всех направлениях не превышает d(I)<10 нм и они представляют собой наноструктуру. Кристаллы рутенийалюминий, рутенийгафний, рутенийтитан, рутенийцирконий имеют σ >3 Дж/м2 в направлении (100). Нами рассмотрена задача о диффузии газа в нанометровой пластине рутения. В отличие от классической задачи в полученном уравнении появляется логарифмический член. Это приводит к расходимости в начале координат. Поэтому граничные условия нужно задавать не при x=0, а при x=d(0) – длине де Бройлевской волны электронов. Только в этом случае имеют смысл классические уравнения диффузии. Существенно также, что, согласно полученному уравнению, диффузии нанопластины зависит как от материала пластины через коэффициент диффузии массивного образца, так и от размерного фактора. В классическом случае такой зависимости нет. Для описания фазовых переходов в наноструктурах предложены различные модели, среди которых можно отметить метод среднего поля Ландау, в котором используется параметр порядка. Мы воспользуемся теорией Ландау, заменяя температуру T на координату h .
Ключевые слова: поверхностный слой, наноструктура, поверхностная энергия, атомный объем, размерный эффект, рутений

М.И. Скобин, М.А. Феофанова, Т.В. Крюков
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

Аннотация: Исследование синтетических и природных материалов пригодных для создания наноносителей и их модификация обеспечит прорыв в лечении многих заболеваний. Хорошим выбором для создания наноносителей являются гликозаминогликаны (гепарин и его производные), благодаря их уникальным биологическим и физико-химическим особенностям. Формирование композиций было исследовано методом pH -метрического титрования при 37 °С на фоне 0,15 М NaCl . С использованием программы NewDALSFEK определены значимые формы и химические равновесия. В диапазоне pH от 2,7 до 5 образуется комплекс вида {[LnHep]}_n, где Hep^3- – мономерное звено макромолекулы гепарина. Получены данные об устойчивости нанокомпозиций:   lgβ[PrHep]=4,27±0,04, lgβ[SmHep]=4,28±0,03, lgβ[EuHep]=4,28±0,03.  Методом M06-HF в сочетании с базисным набором CSDZ+* выполнено квантово-химическое моделирование комплексов.
Ключевые слова: гепарин, лантаноиды, константа устойчивости, квантово-химическое моделирование, антикоагулянты, метод Хартри-Фока

В.М. Самсонов, И.В. Талызин, В.В. Пуйтов, С.А. Васильев
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

Аннотация: Во введении представлен краткий критический обзор имеющихся интерпретаций температуры Таммана, обычно определяемой как T_T^(∞)=0,5T_m^(∞), и температуры Хюттига T_H^(∞)=0,3T_m^(∞), где m– макроскопическое значение температуры плавления материала. Для наночастиц предложено в указанных выше определяющих соотношениях заменить T_m^(∞) на температуру плавления малого объекта T_m, т.е. определить T_T как 0,5 T_m, а T_H как 0,3T_m. В молекулярно-динамических экспериментах на наночастицах Au , осуществленных с помощью LAMMPS, было установлено, что при температуре T=T_T как в центральной части ГЦК-наночастицы, так и в её поверхностном слое возникают локальные очаги квазикристаллической структуры, которые попеременно идентифицируются программой OVITO то как имеющие кристаллическую структуру, то как не имеющие кристаллической упорядоченности. Однако, вопреки мнению Э. Рукенштейна (1984), при T=T_T жидкий слой на поверхности кристаллической наночастицы еще не образуется. Вместе с тем в наших молекулярно-динамических экспериментах не обнаружено какое-либо проявление температуры Хюттига T_H в структуре кристаллических наночастиц Au .
Ключевые слова: температура Таммана, температура Хюттига, металлические наночастицы, поверхностное плавление, спекание, молекулярная динамика