Колонка редактора

Д.В. Иванов¹, В.А. Анофриев¹, В.А. Кошелев^1,2, А.С. Антонов^1,3, С.А. Васильев¹, Н.Ю. Сдобняков^1
1 ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
² ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет ИТМО»
³ ФГБОУ ВО «Тверская государственная сельскохозяйственная академия»

Аннотация: В данной работе методом молекулярной динамики с использованием потенциала сильной связи проведено моделирование процесса молекулярно-лучевой эпитаксии с целью определения закономерностей при формировании фрактальных металлических пленок платины на поверхности родия. Установлена возможность формирования фрактальных структур как в островковых пленках платины на поверхности родия, так и в сплошной пленке. Установлены параметры компьютерного эксперимента, определяющие переход от отдельных островковых пленок к сплошной пленке в указанной системе. С использованием различных программных продуктов Gwyddion и Image Analysis, а также собственной разработки FractalSurface проанализирован диапазон изменения фрактальной размерности при различных условиях молекулярно-динамического эксперимента методом подсчета кубов. Полученные значения фрактальной размерности в целом находятся в приемлемом согласии между собой, однако существует ряд исключений, которые обсуждаются более подробно. Сравнительный анализ получаемых результатов позволяет формулировать рекомендации для методики создания, корректировки и прецизионного контроля при «выращивании» структур с заданной морфологией поверхности
Ключевые слова: молекулярно-лучевая эпитаксия, молекулярно-динамическое моделирование, потенциал сильной связи, фрактальная размерность, метод подсчета кубов, платина, родий, программное обеспечение по обработке изображений

Д.А. Роженцев¹, Р.Р. Мансуров², Н.К. Ткачев¹, О.В. Русских², А.А. Остроушко^2
1 Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии Наук
² НИИ физики и прикладной математики института естественных наук и математики ФГАОУ ВО «Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Аннотация: Исследованы образцы частично окисленного микро- и нанопористого железа, полученного методом высокотемпературного деаллоинга железо-марганцевого сплава в солевом расплаве. При помощи электронной микроскопии получены данные о морфологии образцов и составе их поверхности, установлено, что уже после отмывки при комнатной температуре на воздухе образовались оксидные фазы железа в виде вискеров толщиной порядка 10 нм. В ходе получения образцов достигалось количественное удаление марганца из исходного сплава. Оценена каталитическая активность полученных образцов в гетерогенной реакции Фентона по окислению красителя метилового оранжевого пероксидом водорода. На первом этапе протекания реакции, описываемой уравнением реакции первого порядка, ее скорость определялась наиболее активной расходуемой частью образцов, далее реакция переходила в стационарный режим. Более высокой каталитической активностью обладали нанопористые образцы.
Ключевые слова: нанопористое железо, деаллоинг, вискеры оксидов железа, каталитическая активность, реакция Фентона

М.А. Ясная¹, А.В. Блинов¹, А.Б. Голик¹, Д.Г. Маглакелидзе¹, А.А. Гвозденко¹, А.А. Кравцов^1,2, А.А. Блинова^1
1 ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет»
² ФГБУН «Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук»

Аннотация: В данной работе получены образцы наноразмерного оксида меди, стабилизированного полиэтиленгликолем различных марок с молекулярными массами от 200 до 6000 Да. Методом рентгеновской дифрактометрии исследована кристаллическая структура полученных образцов наноразмерного оксида меди. В результате рентгенофазового анализа установлено, что структура образцов представляет собой моноклинную кристаллическую решетку, с пространственной группой C2/c. Методом фотонно-корреляционной спектроскопии изучено влияние молекулярной массы полимера на размер наночастиц. Анализ результатов исследования показал наличие во всех образцах наноразмерного оксида меди (II), стабилизированного полиэтиленгликолем с различной молекулярной массой, одной фракции частиц, распределение которых по размеру носит мономодальный характер. Установлено, что молекулярная масса полиэтиленгликоля оказывает, влияние на размер частиц CuO в коллоидных растворах, при этом фазовый состав и размеры кристаллитов остаются неизменными. Средний гидродинамический радиус частиц CuO в полученных образцах составляет порядка 140±40 нм. Наименьшие значения гидродинамического радиуса 70±15 нм наблюдаются в образце наноразмерного оксида меди, стабилизированного полиэтиленгликолем с молярной массой 6000 Дa. Методом синхронного термического анализа исследовано влияние стабилизатора с различными молекулярными массами на фазовые переходы образцов при термической обработке. В результате термического анализа установлено, что оптимальной температурой прокаливания порошков наноразмерного CuO является 500°C.
Ключевые слова: оксид меди (II), полиэтиленгликоль, синхронный термический анализ, рентгеновская дифрактометрия, фотонно-корреляционная спектроскопия

А.М. Хараев, Р.Ч. Бажева
ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»

Аннотация: Методом спинового зонда проведено систематическое изучение основных релаксационных переходов жесткоцепных стеклообразных полимеров в широком интервале температур с применением спиновых зондов разного размера на примере полисульфона. В главной области релаксации ароматических полиэфиров с помощью метода спинового зонда обнаружены два перегиба. Два перегиба, обнаруженные на температурной зависимости времени корреляции вращения, являются следствием размораживания сегментальной подвижности в областях с различной упаковкой сегментов. Показано, что высокотемпературный перегиб соответствует размораживанию сегментальной подвижности кооперативного типа (α -переходу), а перегиб при более низкой температуре β -размораживанию сегментальной подвижности локального типа (α’-процессу). Для объяснения природы данного перехода была использована теоретическая модель полимера, где предполагается, что в аморфных полимерах возможны разные уровни надмолекулярной организации, т.е. существование более упорядоченных и более плотно упакованных областей, которые чередуются с более «рыхлыми» и менее упорядоченными областями. Исследовано влияние различных факторов на положение α’-перехода на температурной шкале. Выбор объема зонда на основе строго обоснованной модели его движения позволил выявить взаимосвязь между вращательным движением зонда и движением отдельных сегментов аморфного полимера ниже температуры стеклования.
Ключевые слова: полиэфир, полисульфон, поликарбонат, метод спинового зонда, температура стеклования, температура предстеклования

И.В. Чепкасов
ФГБОУ ВО «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»

Аннотация: Используя современные расчеты из первых принципов, в данной работе мы систематически изучали интеркаляцию атомов калия в гибридную двухслойную структуру графене/MoS₂. В ходе исследования были определенны концентрации атомов калия при которых энергия формирования является отрицательной. Так в частности при концентрации атомов калия, по отношению к атомам молибдена, не более x=0,43 формирование слоя атомов калия между слоями графен/ MoS₂ является энергетически выгодным. Начиная с концентрации атомов калия x>0,75 наблюдается увеличение расстояние между слоями графен и MoS₂, что в дальнейшем приводит к разрушению структуры. Расчет зарядов показал, что атом калия при небольших концентрациях отдает примерно 0,8–0,85 электрона, 0,35 из которых перетекает на атомы углерода, а 0,4–0,5 перетекает на дисульфид молибдена. Расчёт разность электронных плотностей показал, что связь между слоями графена, дисульфид молибдена и калия имеет ковалентный характер.
Ключевые слова: калий-ионные аккумуляторы, аноды, интеркаляция, дихалькогениды переходных металлов, графен, теория функционала электронной плотности

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

Аннотация: Описана архитектура и программное обеспечение Metropolis для проведения компьютерного моделирования методом Монте-Карло, а также его модификации. В качестве потенциала используется потенциал сильной связи, однако это не исключает возможности использования других модификаций апробированных многочастичных потенциалов. В сравнении с предыдущими программными реализациями метода Монте-Карло данная модификация увеличила скорость расчетов в 700 раз для выбранного размера наночастицы. Представлены данные по сходимости результатов моделирования методом Монте-Карло на примере температуры плавления. Разработанный программный комплекс постоянно апробируется для расчетов различных моно- и многокомпонентных наночастиц и наносистем. Полученные результаты показывают достаточно хорошее согласие с другими численными методами, в первую очередь с молекулярной динамикой, и реальным экспериментом. Дальнейшее развитие программного комплекса и улучшение показателей эффективности его работы планируется с использованием параллелизации вычислений и использование технологии вычислений на графических процессорах CUDA.
Ключевые слова: компьютерный эксперимент, метод Монте-Карло, гибридные методы, наночастицы, интерфейс Metropolis API

Н.Ю. Сдобняков, С.С. Богданов, А.Д. Веселов, К.Г. Савина, Н.И. Непша, А.Ю. Колосов, В.С. Мясниченко
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

Аннотация: В данной работе методом молекулярной динамики с использованием потенциала сильной связи исследовались биметаллические наночастицы Au–Co трёх стехиометрических составов различного размера. Установлены закономерности структурообразования, описаны их характерные особенности. В частности, в составах с 50ат.% и 75ат.% содержанием Au образуются множественные малые ядра локальной икосаэдрической симметрии. Только в составе Co — 25 ат.% Au с увеличением размера частиц преобладают кристаллические фазы. Выявлены составы, в которых внутренняя симметрия наночастицы определена наличием одного икосаэдра, либо сверхструктуры из нескольких икосаэдров. Рассчитаны концентрационные зависимости энергии смешения биметаллической наночастицы Au–Co. Показано, что в определённом диапазоне размеров существуют концентрационные составы, при которых биметаллический наносплав может проявлять нестабильность. С использованием калорических кривых потенциальной части внутренней энергии определены температуры кристаллизации. Установлено, что температура кристаллизации демонстрирует умеренный, либо существенный, в зависимости от состава, рост с увеличением размера биметаллических наночастиц  Au–Co.
Ключевые слова: метод молекулярной динамики, биметаллические наночастицы, кобальт, золото, размерное несоответствие, структурообразование, стабильность, температура кристаллизации, энергия смешения

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

Аннотация: В статье методом молекулярной динамики с использованием модифицированного потенциала сильной связи TB-SMA (second moment approximation of tight-binding) проводится сравнительный анализ характера термически индуцированных структурных переходов в нанокластерах серебра, число атомов в которых соответствует «магическим» числам икосаэдрической структуры, при вариации их начальной морфологии. Показано, что в случае начальной ГЦК конфигурации формирование Ih модификации происходит либо на этапе предварительной термической релаксации, либо в ходе дальнейшего нагрева. При начальной аморфной морфологии характер структурных переходов претерпевает значительные изменения. Так, например, формирующаяся Ih модификация обладает большей стабильностью в области высоких температур и точка плавления нанокластеров смещается на величину более 100 К. Такой эффект обусловлен более плавным изменением удельной потенциальной энергии нанокластера в сравнении со случаем, когда устойчивая Ih конфигурация формируется при низких температурах. Полученные данные могут быть использованы при процессах создания нанокластеров серебра с требуемым внутренним строением.
Ключевые слова: структурная стабильность, нанокластеры, серебро, компьютерное моделирование, структура, сильная связь

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