ФХ-2022

А.В. Твардовский
ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет»

Аннотация: Вплоть до настоящего времени весьма актуальной задачей является построение общей теории равновесной адсорбции. В представленной работе дан общий феноменологический подход для описания как адсорбционных, так и абсорбционных равновесий. Было показано, что при определенных допущениях полученное уравнение переходит в известные классические уравнения Генри, Лэнгмюра, Брунауэра-Эмметта-Теллера с константами, имеющими ясный физический смысл. Так, константа в уравнении Генри определяется температурой, удельной поверхностью адсорбента, размером молекул адсорбата, молярной массой адсорбата и изостерической теплотой адсорбции (энергией взаимодействия молекул адсорбата с поверхностью адсорбента). В выведенном частном уравнении Брунауэра-Эмметта-Теллера, в отличие от классического варианта, впервые указана ясная зависимость константы уравнения от конкретных физических характеристик адсорбционной системы. Она определяется концентрацией молекул адсорбата в жидкой фазе при рассматриваемой температуре, концентрацией молекул адсорбата при образовании плотного монослоя на поверхности адсорбента, энергией взаимодействия молекул адсорбата с поверхностью адсорбента и теплотой конденсации. Представленный подход может служить основой для моделирования самых различных адсорбционных и абсорбционных явлений, включая адсорбцию на микропористых адсорбентах.
Ключевые слова: адсорбция, адсорбент, абсорбция, термодинамика фазовых равновесий, уравнение Генри, уравнение Лэнгмюра, уравнение Брунауэра – Эмметта – Теллера

В.М. Юров, В.С. Портнов, А.Д. Маусымбаева
Карагандинский технический университет

Аннотация: В работе поставлена цель — это построение модели поверхностного слоя объектов (кристаллов) и выяснение роли поверхностной энергии в физических процессах, протекающих в области наноразмеров. В качестве объектов были выбраны каркасные углеводороды типа адамантана, которые имеют высокосимметричную алмазоподобную структуру. На основе эмпирической модели впервые проведено определение толщин поверхностного слоя и поверхностной энергии каркасных
углеводородов. На практике это очень важно, поскольку все значимые в эксплуатации физические и химические процессы происходят через поверхностный слой. Для адамантана толщина этого слоя равна 21,6 нм, а для алмаза – 8,2 нм, то есть они представляют собой наноструктуру. Такое различие в толщине поверхностного слоя двух типов структур обуславливает их резкое отличие в их свойствах, в частности, в их поверхностной энергии, которая определяет их механические свойства. Для адамантана поверхностная энергия равна 378,7 мДж/м2, а для алмаза – 9400 мДж/м2. На практике
исследователями установлено, что при ударно-волновом воздействии степень превращения адамантан→алмаз составляет почти 30 %. Работа адгезии для каркасных углеводородов имеет значение 400-500 мДж/м2, а внутренние напряжения – 35-45 МПа, которые в поверхностном слое приводят к уменьшению адгезиционной прочности и возникновению обратного эффекта Холла-Петча.
Ключевые слова: поверхностный слой, наноструктура, поверхностная энергия, атомный объем, размерный эффект, углеводород, адамантан, алмаз, эмпирическая модель

Э. Андре, А.Н. Цирулев
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

Аннотация: Модель универсальных квантовых вычислений, которая задействует квантовые схемы, состоящие из однокубитных и двухкубитных логических элементов реализована в нескольких действующих квантовых вычислительных устройствах. В последнее десятилетие идея использования многокубитных логических элементов стала очень актуальной, поскольку такой подход в перспективе позволит уменьшить зашумленность квантовых схем. Основным ресурсом квантовых вычислений является запутанность отдельных кубитов, образующих кластер. Несмотря на актуальность этого вопроса, пока в теории рассматриваются только несколько примеров простейших логических элементов, реализующих запутанность в системе трех кубитов (элемент Тоффоли и двойное управляемое NOT). Работа посвящена математическому моделированию запутанных состояний квантовых систем, состоящих из нескольких кубитов. Предложен математический метод точного или
приближенного конструирования гамильтонианов, порождающих требуемые унитарные преобразования. Оказывается, что подход, основанный на представлении гамильтонианов и унитарных преобразований в базисе Паули, является наиболее подходящим в данном контексте по двум причинам: во-первых, базис Паули образует алгебру Ли соответствующей унитарной группы; во-вторых, в разложениях по этому базису гамильтонианов и операторов плотности состояний присутствуют только вещественные коэффициенты. В деталях метод рассмотрен на примере трехкубитного кластера, управляемого тернарным гамильтонианом, предназначенным для получения запутанного состояния Гринбергера-Хорна-Цайлингера. Кроме того, для этой системы
изучено состояние теплового равновесия и получен соответствующий оператор плотности состояния.
Ключевые слова: квантовый логический элемент, запутанное состояние, унитарное преобразование, разложение гамильтониана, базис Паули, состояние Гринбергера- Хорна-Цайлингера

А.А. Блинова, А.В. Блинов, М.А. Пирогов, К.А. Огурков, Д.Г. Маглакелидзе, А.А. Яковенко
ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет»

Аннотация: В данной работе проведено квантово-химическое моделирование процесса взаимодействия фосфата кальция с аминокислотами. В рамках квантово-химического моделирования рассчитывали полную энергию молекулярного комплекса E, разницу энергии молекулы аминокислоты и системы «фосфат кальция-аминокислота» ∆E, энергия высшей заселённой молекулярной орбитали E_НOMO, энергию низшей свободной молекулярной орбитали E_LUMO, химическую жёсткость системы η. В качестве
стабилизатора рассматривали восемь незаменимых протеиногенных аминокислот. В результате анализа данных установлено, что все представленные взаимодействия являются энергетически выгодными ∆E > 3370 ккал/моль, а химическая жёсткость этих взаимодействий находится в диапазоне от 0,049 до 0,090 эВ. Исходя из полученных данных, наиболее стабильным и энергетически выгодным взаимодействием является система «фосфат кальция-лизин» ∆E = 3395,848 ± 0,151 ккал/моль, η = 0,085 ± 0,006 эВ. Для подтверждения полученных данных образцы исследовали методом ИК-спектроскопии. Установлено, что взаимодействие аминокислоты лизина с
поверхностью частицы фосфата кальция происходит при связывании кислорода с аминогруппами в молекуле лизина.
Ключевые слова: квантово-химическое моделирование, фосфат кальция, валин, лейцин, изолейцин, метионин, треонин, лизин, фенилаланин, триптофан, химическая жёсткость, метод ИК-спектроскопии, полная энергия молекулярного комплекса

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

Аннотация: Осуществлено сравнительное молекулярно-динамическое моделирование газофазного синтеза наночастиц Ag с использованием двух различных типов многочастичных потенциалов межатомного взаимодействия: потенциала, отвечающего методу погруженного атома, и потенциала сильной связи. Начальная температура в зависимости от эксперимента составляла от 1000 до 3000 К, далее она равномерно понижалась до 77 К, что соответствует температуре жидкого азота. Результаты, полученные с использованием альтернативных силовых полей, согласуются друг с другом, но, вместе с тем, существенно отличаются как по динамике эволюции системы, так и по полученным конечным конфигурациям наночастиц. Увеличение радиуса обрезки потенциала сильной связи значительно изменяет скорость формирования наночастиц. Однако увеличение радиуса обрезки при моделировании с использованием метода погруженного атома не влияет на эволюцию системы. Конфигурации, полученные в результате моделирования с использованием метода погруженного
атома, характеризуются меньшим размером и формой, близкой к сферической, тогда как при использовании потенциала сильной связи формируются более крупные нанокристаллы, имеющие вытянутую форму.
Ключевые слова: наночастицы серебра, газофазный синтез, метод погруженного атома, потенциал сильной связи, молекулярная динамика

С.А. Вересов, К.Г. Савина, А.Д. Веселов, С.В. Серов, А.Ю. Колосов, В.С. Мясниченко, Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

Аннотация: Исследованы различные типы конфигураций четырехкомпонентной наносистемы Au-Cu-Pd-Pt, включая сложные структуры ядро-оболочка. В качестве метода моделирования использовался метод Монте-Карло, межатомное взаимодействие описывалось потенциалом сильной связи – потенциалом Гупты. По результатам серий компьютерных экспериментов было установлено, что четырехкомпонентные наночастицы в данной системе не имеют склонности к формированию структуры ядро-оболочка, даже при том, что атомы золота имеют повышенную сегрегацию к поверхности. Определены температуры плавления для исследуемых наносплавов. Полученные значения находятся в диапазоне от 1100 K до 1250 K и слабо зависят от композиции наночастиц (соотношения числа атомов). Обнаружен стехиометрический состав на основе этих металлов, для которого в процессе охлаждения формируется кристаллическая ГЦК структура с включениями ГПУ фазы. Однако отличительных особенностей в характере сегрегации для данного стехиометрического состава не установлено. Все рассмотренные составы в исследуемом температурном диапазоне были стабильны по отношению к распаду.
Ключевые слова: метод Монте-Карло, потенциал сильной связи, четырехкомпонентные наночастицы, структурообразование, температура плавления, стабильность

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

Аннотация: Методом молекулярной динамики проведена имитация процесса синтеза из высокотемпературной газовой фазы нанокластеров Cu-Au. В качестве начальной конфигурации были использованы 91124 атомов Cu и Au, расположенных хаотично в пространстве с разным процентным соотношением. За основу используемой компьютерной модели синтеза из газовой фазы была взята экспериментальная
установка, находящаяся в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. На базисе полученных данных сделаны выводы о реальном химическом составе кластеров на конечной стадии формирования. Показано, что кластеры с размером более 400–500 атомов придерживаются заданного целевого соотношения, максимальные отклонения от него фиксировались только у атомного пара стехиометрического состава. В остальных случаях с сокращением процентного содержания атомов золота в исходном паре происходило уменьшение отклонений кластеров от заданного целевого состава. Определено, что причиной этого стало разное кристаллическое строение полученных при моделировании наночастиц.
Ключевые слова: нанотехнологии, нанопорошки, компьютерное моделирование, потенциал сильной связи, наночастицы, медь, золото

И.С. Замулин, А.А. Голубничий, И.В. Чепкасов, В.С. Байдышев
ФГБОУ ВО «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»

Аннотация: Используя современные расчеты из первых принципов, в данной работе мы систематически изучали адсорбцию атомарного кислорода на поверхности наночастиц ГЦК металлов Ag, Cu, Pd состоящих из 79 атомов. Было рассмотрено две модели для описания реакционной способности переходных металлов на основе центра d-зоны (d-band center) атомов поверхности, а также на основе обобщенного координационного числа. Оба метода предсказания энергии адсорбции атомов
кислорода на различных сайтах показали себя хорошо, однако метод основанный на обобщенном координационном числе более прост в вычислительном плане, так как для этого метода нужна информация лишь о структуре частицы, в то время как для модели d-band center необходимы расчеты электронной структуры. Полученные значения энергии адсорбции кислорода и d-band center соответствуют известным литературным данным. Наиболее благоприятные позиции для адсорбции атома кислорода находятся на плоскости (100) и представляют собой полости состоящие из 4 атомов и не зависят от типа рассматриваемого металла. Наибольшая энергия адсорбции атома кислорода
наблюдалась в случае медных наночастиц.
Ключевые слова: переходные металлы, наночастицы, обобщенное координационное число, адсорбция, теория функционала электронной плотности

В.С. Мясниченко, Д.Н. Соколов, А.Н. Базулев, Н.И. Непша, П.М. Ершов, Н.Ю. Сдобняков
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

Аннотация: На базе программного обеспечения Metropolis реализована решеточная статистическая модель послойного роста биметаллических наночастиц. В качестве примера в данной работе анализируется два типа решеток: ГЦК и декаэдрическая. На их основе моделируется рост свободных наночастиц Au-Ag в трёх режимах, различающихся этапами роста: добавляется 3, 4 либо 7 биметаллических слоев.
Межатомное взаимодействие задаётся потенциалом сильной связи, однако построенная модель не
исключает возможности использования других модификаций апробированных многочастичных потенциалов. Анализируется изменение в процессе послойного роста удельной потенциальной энергии наночастиц целиком и атомов золота. Исследуется зависимость числа смешанных связей от номера слоя для всей наночастицы и для подсистемы золота.
Ключевые слова: компьютерный эксперимент, метод Монте-Карло, схема Метрополиса, послойный рост, биметаллические наночастицы, смешанные связи

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

Аннотация: Методом молекулярной динамики исследовалось плавление нанокластеров титана Ti_n (n = 3599, 28725, 97045) с различными скоростями их нагрева (от 0,1 до и 10,0 ТК/с). Молекулярно динамическое моделирование проводили в программе LAMMPS на многопроцессорном компьютере.
Использовался многочастичный потенциал межатомного взаимодействия. Кристаллическая структура нанокластера титана при нагреве переходит в жидкую фазу через образование системы атомов (островков) с упорядоченным локальным окружением вблизи температуры плавления. Появление последних обусловлено неравновесностью моделируемого процесса нагрева – система не успевает релаксировать к равновесному состоянию для заданной температуры. Под температурой плавления принималось среднее значение между температурами начала и окончания процесса фазового перехода. Температуре начала плавления соответствовало состояние завершения образования отдельных островков. При окончании плавления, наноструктура характеризуется полностью неупорядоченной структурой. Отмечается, что температура плавления увеличивается с ростом размера наночастицы и скорости её нагрева. При этом предельные температуры рассматриваемого фазового перехода (при N → ∞) существенно ниже температуры плавления массивного титана.
Ключевые слова: титан, нанокластер, температура плавления, скорость нагрева, структура, островки, метод молекулярной динамики