Исследование термодинамических функций малоразмерных наночастиц при использовании квантово-химических методов
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
яемых величин во многом обеспечивается подбором параметров модельных потенциалов в соответствии с экспериментальными данными.
С другой стороны, имеет место существенное отличие получаемых значений энтропий (около 99%). Поскольку энтропия определяется как разность энтальпии и энергии Гиббса, деленная на температуру, даже незначительные погрешности при определении энергии связи атомов в кластере, могут приводить к существенным ошибкам при переходе к значениям абсолютной энтропии.
Таким образом, причина несогласующихся результатов по энтропии может лежать как в методе нанотермодинамики, при аппроксимации реального взаимодействия атомов модельными потенциалами, так и в квантовой химии, при определении величин (частот колебаний и моментов инерции), используемых для расчета термохимии.
Выбор того или иного метода при описании малоразмерных наноструктур представляет собой отдельную задачу, решение которой зависит от располагаемых технических ресурсов для проведения расчетов, необходимой точности, начальной информации об интересующей системе, целей исследования. Так методы, базирующиеся на квантовой теории, реализуют расчеты без каких-либо эмпирических данных. Данные методы обладают широкими возможностями, такими как определение пути прохождения реакции при помощи расчета внутренней координаты реакции. Однако трудности получения результатов при их использовании связаны с тем, что они всеобъемлющи, так что численное решение уравнений представляет крайне сложную задачу и требует значительных вычислительных ресурсов. Кроме того, необходимо отметить, что существующие алгоритмы квантово-химических расчетов крайне требовательны к заданию начального приближения. В ряде случаев может не сходиться процедура самосогласования, или же оптимизированная структура соединения может не соответствовать теоретически прогнозируемой геометрии. Отчасти это связано с тем, что реализованный в них градиентный метод поиска минимума обладает значительным недостатком: при его использовании определяется местоположение некоторого минимума, который, вообще говоря, не обязательно будет глобальным.
В термодинамическом подходе напротив, используется большое число параметров, которые должны быть получены на основе экспериментальных данных, что ограничивает область использования данных подходов лишь заранее исследованными классами соединений. Данный метод схематизирует реальное взаимодействие между атомами в соединении, что приводит к некоторому упрощению исследуемой модели, при этом значительно сокращая затраты машинного времени. Предварительно по итогам проведенного исследования можно заключить, что использование метода нанотермодинамики для изучения наноразмерных структур оказывается вполне оправданным, поскольку при существенной экономии вычислительных ресурсов, он позволяет получить результаты сопоставимые с результатами, получаемыми при проведении большого количества сложных вычислений методами квантовой химии.
Заключение
В рамках данной работы были показаны возможности методов квантовой химии для описания наночастиц и их термодинамических характеристик. Получены значения основных термодинамических функций для кластера Al13 в стандартных условиях по температуре и давлению и проведен анализ полученных данных. Выполнено сравнение результатов, полученных различными методами, из которого был сделан вывод о том, что использование эмпирического метода нанотермодинамики для изучения кластеров вполне правомерно и дает величины хорошо кореллирующие значения, определяемые при помощи квантовой химии.
Для построения более полной картины о термодинамическом состоянии наночастиц необходимо продолжать данные исследования с использованием других доступных методов, в частности метода функционала плотности.
Дальнейшее же изучение кластеров, необходимое для принятия решения о возможности использования их в качестве компонентов высокоэнергетических топлив, по всей видимости, должно лежать в области определения энергии активации реакций взаимодействия кластеров друг с другом и элементами окружающей среды, а также исследования кинетики этих процессов.
Список литературы
1. Бабук В.А., Салимуллин Р.М., Зеликов А.Д., Ванеева О.В., Принципы использования малоразмерных наночастиц в составе высокоэнергетических материалов., Химическая физика и мезоскопия. Т. 13, № 3, С. 356-362, Ижевск, 2011.
. Ибрагимов И. М., Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Основы компьютерного моделирования наносистем, СПб, Лань, 2010
.Буркерт У., Аллинжер Н., Молекулярная механика. М., Мир, 1986
. Бабук В.А., Зеликов А.Д., Салимуллин Р.М. Термодинамический метод определения характеристик наночастиц.
. Алесковский В.Б. Химия надмолекулярных соединений. СПб: Химия, 1996, 256 с.
. Русанов А.И. Нанотермодинамика: химический подход // Российский химический журнал. 2006, т. 50, №2, с. 145-151.
. Бабук В.А., Зеликов А.Д., Салимуллин Р.М., Проблемы взаимодействия наночастиц с окружающей средой. Подходы к решению и результаты анализа., Химическая физика и
мезоскопия. Т.12, №2, С. 224-231, Ижевск, 2010.
. Леванов А. В., Антипенко Э. Е., Определение термодинамических свойств статистическими методами. Классический идеальный газ., МГУ, 2006
. Joseph W. Ochterski, Termochemistry in Gaussian., 2000
.
. Ландау Л. Д., Лифшиц, Е. М. Статистическая физика. Часть 1 - Издание 5-е. - М.: Физматлит, 2005. - 616 с.
Приложение