Библиографическое описание:

Головлев С. В. Анализ процессов формирования молекулярных кластеров в системе углеродный нанообъект — водная среда // Молодой ученый. — 2013. — №11. — С. 32-34.

С развитием нанотехнологий и обширным применением искусственно созданных наноразмерных материалов все более актуальным становится вопрос изучения влияния и объяснения взаимодействия нанообъектов со средой. До сих пор не выработаны единые правила и инструкции безопасности при работе с наночастицами. Все исследования при этом направлены на определение токсичности самих материалов, а не исследование поведения их в среде и воздействие на живые организмы, технологические среды и экологию в целом.

В работе ставится задача оценить приближенные напряженные состояния вокруг нанообъекта в жидкой среде и возможность реализации внешних воздействий на систему нанообъект-среда. Для этого необходимо решить две проблемы: с одной стороны необходимо знать, какие напряжения возникают во всем объеме, и каким образом будет реагировать на них исследуемый материал с другой. Приближенную оценку внешних воздействий можно провести с использованием теории механики сплошной среды, а реакцию системы предлагается оценить исходя из энергии связи с помощью квантово-химических расчетов.

В [1] показано, что значительное изменение свойств среды без существенного изменения химического состава возможно при условии взаимодействия со средой, приводящего к значительным структурным изменениям.

В общем виде предложен вариант оценки параметров напряженного состояния, требуемых для разрушения данной структуры в исследуемой жидкости. Как наиболее благоприятный вариант для возникновения предельных напряжений рассматривалось только плоское напряженное состояние. Так как фуллерены практически не растворяются в воде, в работе рассматриваются продукты озонолиза С60, которые полностью растворимы в воде [2].

Стационарное молекулярное уравнение Шредингера рассматривалось в приближении Борна–Оппенгеймера. Уравнение Шредингера для электронной подсистемы решалось в рамках теории функционала плотности с использованием гибридного функционала плотности B3LYP [3]. Для описания электрических свойств водородно-связанных систем использовались базисы, включающие поляризационные (с большим значением углового момента, нежели основное состояние атома) и диффузные (более «размазанные», с меньшим значением показателя экспоненты) функции. При оптимизации в PC GAMESS/firefly [4] использовался метод псевдо — Ньютона — Рапсона со следующими параметрами: максимальный градиент хартри/бор, с. к. з. градиента хартри/бор.

Расчетным путем получены энергии диссоциации связи , и разрушения водородных связей кластеров. Показано, что энергия разрушения связи  на порядок выше водородной связи, длина связи С-O составляет , а энергия связи 22.1084 () и незначительно уменьшается с ростом системы, энергия водородной связи 0.175 хартри. Знак энергии положительный, следовательно, самопроизвольно реакция окисления проходить не будет. Рост структуры с увеличением n до 4 идет линейно, далее изменяется угол связи.

Наноразмерные частицы, помещённые в жидкую среду, обладая нескомпенсированной поверхностной энергией, формируют на своей поверхности ионные слои из морфологических единиц жидкой среды. После процесса формирования каждую наночастицу в жидкости окружают как минимум два слоя — ион формирующий и ион компенсирующий, и в зависимости от знака поверхностного заряда нано частицы может возникать два вида кластеров (рисунок 1).

Описание: F:\ono.png

Рис. 1. Схема, сформированных кластеров в жидкой среде: 1 — нанообъект, 2 — ион-формирующий слой (состоящий из катионов), 3 — ион-компенсирующий слой (состоящий из анионов.

В рассматриваемой наночастице каждый атом углерода имеет одну свободную связь, при этом заполнение половины из них приводит к созданию эндоэдральных комплексов. Принятый в [1] подход заключается в возможности автономного существования отделенного от нанообъекта ион-формирующего и ион-компенсирующего слоя в виде стабильного кластера. Таким образом, для модификации среды необходимо распространить кластеры, состоящие из ион-формирующего и ион-компенсирующего слоя на весь объем среды. Это можно достичь реализацией процесса отделения контактного слоя среды от поверхности нанообъекта, удаления его в объем среды и последующего возникновения на этой же поверхности нового слоя. Эффект модифицирования будет увеличиваться по мере накопления в объеме кластеров, возникших из ион-формирующего и ион-компенсирующего слоя.

Рассмотрим произвольную точку внутри частицы с ион-формирующим и ион-компенсирующим слоем, проведем через нее плоское сечение и вообразим, что соседние части по обе стороны от этого сечения на мгновение стали жесткими и превратились в твердое тело. Малейшему перемещению одной из этих частей относительно другой вдоль плоскости сечения препятствуют силы, являющиеся по своей природе силами связи атомов.

Касательное напряжение , выражающее сопротивление трения в расчете на единицу площади плоскости контакта в момент, когда движение (смещение) только начинается, пропорционально нормальному напряжению , действующему в сечении; более того, прежде чем произойдет проскальзывание, величина  нигде не может превзойти некоторую долю µ нормального напряжения  при любой ориентации сечения [4], так что

;

Здесь индекс n обозначает направление внешней нормали к сечению. Обозначим через  угол сухого трения и положим

;

Для равновесия системы, таким образом, требуется, чтобы в среде выполнялось двойное неравенство

Если воздействие на систему приводит к созданию плоского напряженного состояния, то есть два главных напряжения равны, а третье равно нулю:

;

;

Максимальные касательные напряжения

,

отсюда

.

В дискретной среде напряженные состояния, соответствующие равновесию при условии, что жидкость рассматривается как идеально вязкое необратимо несжимаемое вещество, определяются формулами:

,

Где  — скорость деформации осевого удлинения,  — коэффициент вязкости.

Отсюда следует, что чем выше коэффициент вязкости среды, тем большие напряжения в ней возникают.

Так как  всегда меньше , а энергия связи кластера воды с фуллереном больше энергии водородной связи кластера, то вероятнее всего в случае возникновения напряженного состояния произойдет сдвиг слоя, а не отрыв или разрушение системы. Приведенные выражения описывают состояние макросистем, их необходимо адаптировать под конкретную задачу.

При достаточном уровне касательных напряжений и невысоком сопротивлении сдвига в компенсационных слоях происходит отделение ионных слоёв от наноразмерных частиц с образованием кластеров с ядрами на основе ион-формирующего слоя 2. При сдвиговом отрыве ионных слоёв с нанообъекта на его поверхности вновь начинается формирование ионных слоев 2,3 [6].

В работе показано, что для систем типа  возможен сдвиг слоев водных кластеров и он энергетически более выгоден, чем отрыв всего кластера. Необходимым условием сдвига является возникновение напряженного состояния в исследуемых жидкостях, причем значения этих напряжений будут зависеть от типа жидкости и ее состояния. Создание напряжённого состояния возможно путем изменения скорости потока жидкости, внешнего давления, каких либо ударных воздействий.

Литература:

1.         В. П. Шелохвостов, Д. В. Образцов,В. В. Гумбин, С. В. Головлев Феноменология структурных и надструктурных состояний в жидких наномодифицированных средах / В. П. Шелохвостов, Д. В. Образцов,В. В. Гумбин, С. В. Головлев //УНИВЕРСИТЕТ им. В. И. ВЕРНАДСКОГО. СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК(43). 2012. — 2012/ — N43. — C74–79.

2.         F. Cataldo, Polymeric fullerene oxide (fullerene ozopolymers) produced by prolonged ozonation of C60 and C70 fullerenes.// Carbon, 2002, 40, 1457.

3.         Карговский А. В. Водные кластеры: структуры и оптические колебательные спектры // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2006. Т. 14, No

4.         Грановский A. A. PC GAMESS 8.0 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/index.html.

5.         Надаи А. (Nadai A.) — Пластичность и разрушение твердых тел. Т. 1 (ИЛ, 1954) / Надаи А. // М.: Издательство иностранной литературы, 1954. 648 с.

6.         Шелохвостов, В. П. Методы и средства контроля параметров конденсированных сред, содержащих наноструктурные компоненты / В. П. Шелохвостов, В. Н. Чернышов. — Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. — (Препринт № 21. Рубрика 01. — 2007. — Т. 13, № 3. — 60 с.).

7.         Волькенштейн М. В. Молекулярная биофизика М.: Наука, 1975. 616 с.

8.         Суздалев, И. П., Суздалев, П. И. Нанокластеры и нанокластерные системы. Организация, взаимодействие, свойства / И. П. Суздалев, П. И. Суздалев // Успехи химии 70 (3) 2001 С. 203–240.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle