МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ» В.И. Кодолов, Н.В. Хохряков ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЙ НАНОСТРУКТУР И НАНОСИСТЕМ монография Том 2 Математические модели, превращения и свойства наноструктур и наноматериалов Ижевск ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА 2009 1 УДК 536.7 + 541: 539 ББК 24.5 К 58 Рецензенты: Липанов А.М. – академик РАН, директор Института прикладной механики УрО РАН Заиков Г.Е. – доктор химических наук, профессор, зав. отделом Института биохимической физики им. <...> Математические модели, превращения и свойства наноструктур и наноматериалов / В.И. Кодолов, Н.В. Хохряков. <...> Методы атомистического моделирования В предшествующих главах приведены сведения об основах различных научных направлений в области химических наук, которые предварили появление и развитие учений о наносистемах, а также о способах производства, очистки и исследования получаемых наноструктур и наноматериалов. <...> Первопринципные методы квантовой химии В рамках классической квантовой механики состояние электронной подсистемы нанообъекта определяется волновой функцией пространственных и спиновых координат всех электронов, которая является решением уравнения Шредингера. <...> Такой подход называется приближением ли(6.5) В методе ЛКАО дифференциальные уравнения ХФ преобразуются в матричные уравнения Хартри-Фока-Рутана (далее ХФР) для коэффициентов i c [4]. <...> Энергия системы, рассчитанная в рамках метода ХФ, может отличаться от истинной энергии менее, чем на 1 %, но это отличие является существенным для химических приложений, где требуется вычислять разницу между энергиями различных состояний одного и того же атомного состава. <...> Энергии диссоциации химических связей в пико- и наносистемах, рассчитанные методом ХФ, обычно занижены. <...> В частности, расчет <...>
Химическая_физика_процессов_формирования_и_превращений_наноструктур_и_наносистем._Том_2._Математические_модели,_превращения_и_свойства_наноструктур_и_наноматериалов.pdf
УДК 536.7 + 541: 539
ББК 24.5
К 58
Рецензенты:
Липанов А.М. – академик РАН, директор Института прикладной механики
УрО РАН
Заиков Г.Е. – доктор химических наук, профессор, зав. отделом Института
биохимической физики им. Н.М. Эмануэля
РАН
Кодолов В.И., Хохряков Н.В.
К 58 Химическая физика процессов формирования и превращений
наноструктур и наносистем : монография. В 2 т. Т. 2. Математические
модели, превращения и свойства наноструктур и наноматериалов
/ В.И. Кодолов, Н.В. Хохряков.– Ижевск : ФГОУ ВПО
Ижевская ГСХА, 2009.– 416 с.
ISBN 978-5-9620-0153-1(Т. 2)
ISBN 978-5-9620-0151-7
В книге рассмотрены актуальные вопросы нанохимии, нанофизики, наноматериаловедения и
нанотехнологии. Основное внимание уделяется рассмотрению процессов формирования и превращений
наноструктур и наносистем. Приводится обзорный материал по некоторым свойствам наноструктур
и наноматериалов, а также по модификации композитов наноструктурами. Рассмотрены
методы моделирования наноскопических объектов.
Книга предназначена для специалистов, работающих в области нанотехнологий, студентов
старших курсов университетов, магистрантов, аспирантов, работников научно-исследовательских
институтов и научно-производственных объединений.
УДК 536.7 + 541: 539
ББК 24.5
ISBN 978-5-9620-0153-1(Т. 2)
ISBN 978-5-9620-0151-7
© Кодолов В.И., Хохряков Н.В., 2009
© ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2009
2
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ
И ТРАНСФОРМАЦИЙ НАНОСТРУКТУР…………………...……….….....3
6.1. Методы атомистического моделирования……………..……….…….....3
6.1.1. Первопринципные методы квантовой химии...……………...……5
6.1.2. Полуэмпирические методы квантовой химии …………………...11
6.1.3. Полуэмпирический метод сильной связи ………………………...13
6.1.4. Расчеты в базисе плоских волн. Псевдопотенциал………………..15
6.1.5. Энергетические модели эмпирических межатомных
потенциалов…………………………………………………….........17
6.1.6. Молекулярно-механические энергетические модели..…………....24
6.2. Методы квантовохимического моделирования
больших атомно-молекулярных систем.………………….…..………….28
6.2.1. Особенности моделирования нанообъектов……………….……...28
6.2.2. Методы, использующие разделение системы на области………..31
Комбинированный метод QM/ММ…….…………..……………....34
Модели молекулярной системы в растворителе…….……..……...36
6.2.3. Методы квантовохимических расчетов
с линейно растущими затратами..…………….…………………..40
6.3. Программные комплексы в области компьютерной
химии и материаловедения ……………………………………..………..43
6.4. Строение углеродных нанотубулярных систем …………………………63
6.4.1. Строение и симметрия идеальной нанотрубки……………………63
6.4.2. Дефекты в однослойной нанотрубке.
Геометрическое строение контактов………….…………….……..78
6.4.3. Геометрия многослойных нанотрубок……….…………………...92
6.5. Модели процессов образования углеродных наноструктур……………103
6.5.1. Проблемы создания универсальной модели…………….………...103
6.5.2. Модели процессов синтеза без катализаторов…………….……...103
6.5.3. Модели, описывающие каталитический синтез ............…….........120
6.5.4. Модели синтеза бамбукообразных наноструктур…….………......139
6.5.5. Модели образования дефектов в структуре нанотрубки…………142
414
Стр.414
6.6. Пространственно-энергетические представления
при прогнозировании формирования и превращений
наноструктур…………………………………………………………….150
Литература к глава 6………….……………………………………………….…...157
7. ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ,
ПРОТЕКАЮЩИХ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ, НА МЕМБРАНАХ
И В НАНОРЕАКТОРАХ РАЗЛИЧНЫХ МАТРИЦ………….…………….170
7.1. Химические реакции, протекающие в поверхностных слоях
и на границе раздела фаз……...…………………………………………170
7.2. Химические процессы на дефектах кристаллов и на мембранах...…...195
7.3. Взаимодействия химических частиц в межслойных
пространствах конденсированных систем.…………………………......215
7.4. Химические процессы в нанореакторах..………………………...……..229
7.5. Перспективы развития нанохимии и нанометаллургии.………………262
Литература к главе 7………..………………………………………………...272
8. СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУР И НАНОКОМПОЗИТОВ.
МОДИФИКАЦИЯ КОМПОЗИТОВ НАНОСТРУКТУРАМИ…………….277
8.1. Свойства и превращения наноструктур..………………………………..278
8.1.1. Электронные свойства углеродных наноструктур…….……....278
Электронные свойства идеальных однослойных нанотрубок………….….278
Электронные свойства дефектных нанотрубок и контактов……………295
Экспериментальное исследование контактов нанотрубок………….....….305
8.1.2. Эксплуатационные свойства углеродсодержащих
наноструктур….………………………….………………………322
8.2. Теоретические принципы создания нанокомпозитов
и модификации композитов наноструктурами...………………..……...337
8.3. Нанокомпозиты, неорганические материалы
и полимерные материалы, модифицированные наноструктурами…....358
Литература к главе 8 ……………………………….…………………..…………...384
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………….……………….394
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ…………………..……………409
415
Стр.415