29 января 2017г.
Возможность синтезировать наноразмерные структуры с контролируемыми размерами и составом, а затем собирать их в структуры больших размеров с уникальными свойствами и функциями способно привести к радикальным изменениям в технологии многих отраслей промышленности.
Сегодня молекулярное производство осуществляется пока в основном «сверху вниз»: от трехмерных неорганических веществ к двухмерным и одномерным распределениям наноразмерных элементов, применяемых для создания наноструктурных материалов. Решающим же условием создания успешно функционирующих искусственных наносистем и осуществления принципа сборки «снизу вверх» является активное развитие вычислительной нанотехнологии.
Разработанный в рамках проекта RFMEFI57514X0087 по Соглашению о предоставлении субсидии от 21.10.2014 № 14.575.21.0087 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса
России на 2014-2020 годы» программно-вычислительный комплекс (ПВК) обеспечивает моделирование следующих характеристик и свойств углеродных нанотрубок: удельная поверхность, теплота адсорбции, изотерма адсорбции, хиральность, капиллярные эффекты и заполнение нанотрубок. Обеспечена высокая степень совпадения значений свойств реального сорбента и модели сорбента на основе углеродных нанотрубок.
В ПВК использована математическая модель оценки сорбционных свойств углеродных наноструктурированных материалов на основе углеродных нанотрубок, полученная на основе математических расчетов, проведённых для описания состава, структурных характеристик, сорбционно- кинетических и электронно-обменных свойств сорбентовс использованием методов Лэнгмюра, Брунауэра- Эммета-Теллера, Barrett–Joyner–Halenda, Хартри-Фока, теории функционала плотности (DFT).
Результаты моделирования структуры и адсорбционных свойств углеродных наноструктурированных сорбентов на основе углеродных нанотрубок методами молекулярной механики, молекулярной динамики и полуэмпирическими квантово-механическими расчетами показали, что рассмотренные структуры обладают достаточно близкими к исследованным образцам сорбционными свойствами. Также хорошо прослеживается зависимость с ростом величины адсорбции при увеличении диаметра и «дефектности» нанотрубок, то есть с увеличением количества нескомпенсированных поверхностных связей.
Большинство исследованных образцов нанотрубок содержит технологические неорганические примеси в виде металла или соединений на основе металлов в значимом количестве. Места внедрения стороннего атома или частицы в тело нанотрубки представляет собой дефект строения, сорбционные характеристики которого будут отличаться от характеристик чистой графеновой плоскости. Поэтому, для приближения характеристик, определяемых по результатам моделирования, к характеристикам коммерческих материалов, необходимо, в том числе, моделировать структуру и сорбционное взаимодействие на дефектах строения, представляющих с собой внедрение стороннего атома в тело нанотрубки, или
встроенную в нанотрубку частицу неорганического неуглеродного вещества. Проанализированы имеющиеся данные о зависимости сорбционных свойств углеродных нанотрубок с различной структурой[1-3]. Выявлены основные закономерности для расчета
изотерм адсорбции УНТ в зависимости от параметров их хиральности, диаметра и длины. Для обеспечения учета физико-химических свойств и параметров структуры в модели были использованы как расчетные данные, так и результаты экспериментов по термопрограммируемой десорбции, спектроскопии комбинационного рассеяния и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения различных видов УНТ.
Программные модули ПВК рассчитаны на функционирование
на высокопроизводительных кластерных вычислительных системах. При этом подготовка данных и обработка результатов моделирования проводится с помощью контроллера запросов, который объединяет все действия по обработке запросов в одном месте, распределяя их выполнение посредством единственного объекта- обработчика.
Список литературы
1.
GromovS. V., BurmistrovI. N., IlinykhI. A., Kuznetsov D. V.Simulation of hydrogen adsorption on carbon nanotubes with different chirality parameters //IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, - 2016, V.112.
2.
MuratovD., GromovS., MemetovN., TkachevA., KuznetsovD. Application of Raman Spectroscopy for the Assessment
of Adsorption
Characteristics and
Analysis of
Structural Properties of
MWCNT //Nanomechanics Science and Technology. An International Journal,
- 2014, Vol. 2,– P. 1–11.
3.
S. Gromov, Yu. Ponomareva.Molecular dynamics calculation of hydrogen chemisorption on the surface of single-wall carbon nanotubes //Nanomechanics Science and Technology. An International Journal, - 2014, Vol. 3,– P.191–199.
