Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0112

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0112
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет"
Название доклада
Создание программно-вычислительного комплекса для компьютерного моделирования структурных, сорбционных и электронных свойств фуллеренов и углеродных нанотрубок и процессов адсорбции
Докладчик
Бутырская Елена Васильевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1.Разработка программно-вычислительного комплекса (ПВК), позволяющего выполнять моделирование структуры, анализ электронных и адсорбционных свойств углеродных наноструктурированных сорбентов на примере фуллеренов и углеродных нанотрубок и процессов адсорбции с повышением точности совпадения характеристик моделируемого сорбента со свойствами реального сорбента.
2.Проведение экспериментальных исследований адсорбционных свойств углеродных наночастиц к неорганическим (поддерживающим процесс коррозии в солевых средах) и органическим (аминокислоты, фосфолипиды, этиленгликоль) химическим соединениям.
3.Разработка технологии допирования полимеров углеродными нанотрубками на примере эпоксидного лакокрасочного материала и цеолитов и систематический сравнительный анализ свойств допированного и недопированного материалов.
4. Исследование условий формирования функциональных бионаноструктур с УНТ на примере гибрида глюкоамилаза-УНТ-SiO2-Si и исследование их функциональных свойств.
Актуальность и новизна исследования
Анализ состояния и тенденций развития объектов наноиндустрии позволяет выделить в качестве одной из наиболее перспективных областей нанотехнологий создание новых материалов на основе углеродных наноструктур. Углеродные наночастицы (УНЧ) - нанотрубки, фуллерены, фуллериты и их производные имеют уникальные электропроводные, теплопроводные, сорбционные, механические и др. свойства. Они являются перспективными материалами наноэлектроники, эффективными допантами существующих материалов для создания на основе технологий легирования новых нанокомпозитов с заданными функциональными свойствами. Решение проблемы создания новых функциональных материалов с заданными свойствами реально революционизирует материаловедение, электронику, химию, медицину и биологию.
Наноразмерность углеродных наночастиц обуславливает сложность экспериментального исследования индивидуальных наночастиц из-за необходимости использования уникального дорогостоящего оборудования. Поэтому распространенным методом их иccледования является квантово-химическое и молекулярно-динамическое моделирование, находящееся в настоящее время на стадии накопления результатов компьютерного эксперимента. Отсутствие интегрированного программного обеспечения, позволяющего определить начальную структуру углеродных наночастиц, рассчитать их свойства, использовать базу данных структур и свойств УНЧ является реальной проблемой, сдерживающей применение УНЧ в нанотехнологиях, а также не позволяет достичь глубокого понимания природы проявления уникальных свойств УНЧ. Потребность создания интегрированного инструмента исследования таких объектов определяет актуальность и новизну проекта.
Описание исследования

 В рамках проекта спроектирован и реализован интегрированный программно-вычислительный комплекс, позволяющий проводить расчет и анализ структуры и свойств углеродных наночастиц с целью создания уникальных технологий формирования новых композиционных материалов (лакокрасочные материалы, клиноптилолитовый сорбент, фермент глюкоамилаза) с углеродными нанотрубками.

ПВК представляет собой автоматизированное рабочее место для теоретического исследования  физико-химических свойств сложных молекулярных кластеров, позволяющий пользователю решать задачи многофункционального анализа моделей больших молекулярных комплексов. В ПВК встроено прямое взимодействие с разработанной базой данных, содержащей различные структурные и физико-химические свойства молекулярных кластеров. Количество типов кластеров, включенных в базу данных ограничено следующими сущностями – фуллерены, углеродные нанотрубки, ионообменники, комплексы сорбат-сорбент и характеристики отдельных сорбатов. 

В качестве нереляционной систе́мы управле́ния ба́зами да́нных использована облачная платформа Google App Engine, автоматически масштабируемая в соответствии с нагрузкой на сервер базы данных (БД). В качестве веб-интерфейса администрирования БД  использован веб-фреймворк Django, позволяющий настроить права доступа для разных категорий пользователей и внешних приложений.

Разработанный в работе способ визуализации пространственных функций является модификацией алгоритма marching cubes позволяющей расширить класс задач для нужд настоящего исследования. Разработанная модификация алгоритма marching cubes в настоящей работе позволяет строить две эквипотенциальные поверхности за одну итерацию алгоритма, что не возможно при прямом использовании алгоритма marching cubes. Основными методами визуализации являются метод растеризации (rasterization) и метод трассировки лучей (ray tracing).

Расчеты структуры, электронных и адсорбционных свойств  углеродных наночастиц, входящие в базу данных ПВК, выполнены в рамках проекта с использованием программы Gaussian методами АМ1, РМ3, LSDA и теории функционала плотности B3LYP/6-31G и B3LYPGD3/6-31G(d,p), учитывающем дисперсионные поправки. Учет дисперсионных поправок позволяет корректно учесть Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия сорбент-сорбат, что существенно повышает точность полученных величин энергий адсорбции вследствие высоких значений поляризуемости УНЧ.

Технологии создания новых материалов с углеродными нанотрубками основаны на методах активного диспергирования (измельчения) агломератов углеродных наночастиц  в полимерной среде до получения ультрамикро- и микрогетерогенных дисперсных систем. Авторами проекта сконструирована оригинальная диспергирующая установка, обеспечивающая более эффективное диспергирование по сравнению с существующими диспергаторами. Для достижения высокой степени дисперсности углеродных наполнителей помимо механического измельчения использованы оригинальные поверхностно-активные вещества, методы химического и физического воздействия на углеродные наночастицы. 

 

Результаты исследования

1. Программно-вычислительный комплекс, включающий

а) программный модуль расчета координат атомов углерода в углеродных наночастицах различной структуры;

б) программный модуль интерпретации и анализа данных, описывающих свойства углеродных наночастиц (плотность заряда, потенциал, молекулярные орбитали и др.),  рассчитанные с помощью программы Gaussian, представленные в виде массива значений в пространственных точках;

в) программный модуль визуализации функций электронной плотности, электронного потенциала и молекулярных орбиталей, рассчитанных программой Gaussian;

г) программный модуль администрирования, позволяющий осуществлять визуализацию и публикацию данных и результатов расчетов в табличном и графическом виде, в том числе сети Интернет;

д) базу данных структуры и свойств углеродных наночастиц и других сорбентов.

2. Модели структуры и электронного энергетического спектра фуллеренов и углеродных нанотрубок различной структуры и размерные эффекты  в их структуре и фундаментальных параметрах, установленные компьютерным моделированием методами mm3, am1, pm3, lsda/3-21g*, b3lyp/6-31g.

3. Результаты компьютерного моделирования (энергии адсорбции) и экспериментального исследования (изотермы адсорбции) сродства углеродных наночастиц к органическим и неорганическим соединениям.

4. Закономерности в изменении сорбционных свойств углеродных наночастиц (УНЧ) к органическим и неорганическим соединениям при изменении структуры УНЧ.

5. Комплексная математическая модель углеродных наноструктурированных сорбентов на примере фуллеренов и углеродных нанотрубок с описанием их структуры, физико-химических свойств, с учетом температуры и давления окружающей среды.

6. Закономерности изменения электронного энергетического спектра и фундаментальных параметров углеродных наночастиц (УНЧ) при изменением напряженности внешнего электрического поля и размеров УНЧ.

7. Рецептуры лакокрасочных материалов без и с углеродными нанотрубками, методика их получения и экспериментальные образцы эпоксидных лакокрасочных материалов с повышенной коррозионной стойкостью по сравнению с недопированными материалами.

8. Механизм ингибирования коррозии углеродными нанотрубками, введенными в лакокрасочное покрытие.

9. Методика формирования гибридных наноструктур глюкоамилаза-УНТ-SiO2-Si, клиноптилолитового сорбента, допированого УНТ, экспериментальные образцы данных композиционных материалов, результаты исследования свойств (каталитическая активность, сорбционные свойства) допированного и недопированного материалов.

10. Проект опытно-промышленного технологического регламента получения эпоксидных лакокрасочных материалов с углеродными нанотрубками, гибридной наноструктуры глюкоамилаза-УНТ-SiO2-Si, клиноптилолитового сорбента, допированого УНТ.

Результаты в целом соответствуют мировому уровню.

Практическая значимость исследования
Разработанный ПВК, позволяет рассчитывать, выявлять и систематизировать закономерности изменения свойств фуллеренов и углеродных нанотрубок при изменении их структуры и может быть применен для выработки рекомендаций по выбору эффективных наночастиц в качестве допантов для улучшения свойств известных материалов при получении на их основе нанокомпозитов. Например, сорбенты с усиленной сорбционной способностью вследствие допирования УНЧ, позволят усовершенствовать разнообразные сорбционные технологии, применяющиеся практически во всех областях промышленности, в сельском хозяйстве и в медицине. Кроме того, сами углеродные наночастицы, на основании анализа полученных результатов, могут быть применены в качестве эффективных сорбентов хроматографии. Рассчитанные в рамках разработанного ПВК закономерности изменения электронной структуры углеродных наночастиц при изменении их геометрии, необходимы для решения задач микро- и наноэлектроники, поскольку использование в данной области предполагает знание зонной структуры УНЧ и связанных с их полупроводниковыми свойствами фундаментальных параметров.
Усиление антикоррозионных свойств существующих лакокрасочных материалов в результате внедрения в них небольшого количества УНЧ вследствие сорбции последними атомов и ионов, поддерживающих процесс коррозии, позволит повысить качество антикоррозиционных красок, представленных на современном рынке и усилить антикоррозионную защиту разнообразных металлических конструкций, что найдет применение в. машиностроительной, строительной, автомобильной, оборонной промышленности, аэрокосмическом комплексе. Разработанный ПВК позволит выработать рекомендации по наиболее эффективному выбору УНЧ для легирования существующих лакокрасочных материалов.
Результаты по исследованию изменения свойств глюкоамилазы при образовании гибрида глюкоамилаза-УНТ- SiO2-Si являются предпосылкой создания бионаносенсоров, например, для определения концентрации глюкозы в крови человека. Разработанные клиноптилолиты с углеродными нанотрубками могут быть использованы в качестве рабочего вещества в сенсорах для определения загрязнений окружающей среды.