Исследование термодинамических функций малоразмерных наночастиц при использовании квантово-химических методов
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
Балтийский Государственный Технический Университет ВОЕНМЕХ им. Д.Ф. Устинова
Кафедра Космических аппаратов и двигателей
Курсовая работа
на тему: Исследование термодинамических функций малоразмерных наночастиц при использовании квантово-химических методов
Санкт-Петербург, 2011
Введение
В настоящее время большой интерес представляет изучение наноразмерных структур. Частицы данных размеров обладают избытком поверхностной энергии, что позволяет рассматривать возможность применения их в качестве компонента топлив, обеспечивающего рост их энергетического потенциала. Однако данная особенность влечет за собой ряд проблем, связанных с сохранением данного вида энергии в течение всего процесса изготовления и хранения энергетических конденсированных систем. Рост удельной энтальпии образования частиц, очевидно, ведет к росту их химической активности и, как следствие, к образованию соединений, обладающих меньшим запасом энергии.
Сейчас активно рассматривается идея решения этой задачи при помощи покрытия наноструктур атомами других элементов. Рассмотренные в более ранних работах пути предотвращения коагуляции путем ионизации поверхностного слоя кластера [1] не оправдали ожиданий, поскольку силы отталкивания превалировали над силами притяжения лишь на определенных, достаточно больших расстояниях, но при меньших дистанциях не могли препятствовать сближению частиц. Исследование термодинамических функций частиц позволит оценить их энергетический ресурс, а так же помочь решить задачу предотвращения взаимодействия кластеров с окружающей средой и их коагуляции, поскольку осуществление данных процессов будет приводить к снижению ресурса энергии и, в конечном счете, сведет на нет сам смысл использования этих структур.
1. Общая характеристика малоразмерных наночастиц (кластеров)
Наноразмерные объекты занимают промежуточное положение между объемными материалами и атомами (или молекулами). В современном научном мире под наноразмерными структурами принято понимать структуры, размеры которых не превышают 100 нм, по крайней мере, в одном направлении. При таких величинах начинают проявляться размерные эффекты, т. е. наночастицы демонстрируют свойства, отличные как от свойств твердого тела, так и от свойств микрочастиц, заключающиеся в изменении свойств и характера взаимодействия частиц между собой или же с другими элементами. Когда размер зерен становится менее 10 нм - так называемые малоразмерные наночастицы - размерные эффекты становятся наиболее отчетливыми. Число микрочастиц в таких кластерах не превышает нескольких десятков, что приводит к существенному избытку поверхностной энергии частиц. Причиной этого является особое строение наночастиц.
В отличие от классической дисперсной фазы, в которой, не смотря на достаточно маленькие размеры самих частиц, подавляющее большинство атомов находится внутри зерна и взаимодействует одновременно с большим количеством окружающих их атомов, в кластерах число микрочастиц поверхностного слоя и микрочастиц, находящихся внутри зерна - величины одного порядка. К примеру, в наночастице, состоящей из 13 атомов, лишь один атом располагается в центре, а все остальные (92% от общего объема) находятся на поверхности. Атомы, находящиеся на границе имеют оборванные связи, в силу чего возникает поверхностная (граничная) энергия, дополнительная к свободной энергии объема кластера, которая и придает этим структурам уникальные особенности, отсутствующие в масштабах ньютоновской физики. Поверхностная энергия обуславливает значительное уменьшение потенциальной энергии каждой микрочастицы в сравнении с кристаллической фазой, что приводит к росту энтальпии образования наночастиц. Естественным следствием высоких значений энтальпии будет возрастание свободной энергии Гиббса и химического потенциала, непосредственно связанного с химической активностью кластеров. Таким образом, с увеличением доли атомов поверхностного слоя (уменьшения числа микрочастиц в составе кластера) увеличивается удельная величина поверхностной энергии и, следовательно, повышается химическая активность наночастиц.
2. Методы расчетного определения характеристик наночастиц
К настоящему времени разработаны два принципиально различных подхода к описанию наночастиц, которые в общем случае можно рассматривать как достаточно большие молекулы: квантово-химический и подход, базирующийся на классической механике и на использовании экспериментальных данных о взаимодействии между микроскопическими частицами. Рассмотрим эти подходы.
В рамках методов, базирующихся на классической механике, электроны в явном виде не рассматриваются, изучается взаимное положение ядер атомов [2]. При этом закономерности поведения данных объектов соответствуют классической механике. Наиболее существенной проблемой данной группы методов является корректное описание межмолекулярного (межатомного) взаимодействия. Чаще всего это осуществляется при помощи потенциалов взаимодействия - аппроксимаций действительного взаимодействия между частицами. Это описание базируется на экспериментальной информации, получение которой представляет собой значительные сложности. Поэтому э?/p>