Анализ процессов формирования молекулярных кластеров в системе углеродный нанообъект — водная среда | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Химия

Опубликовано в Молодой учёный №11 (58) ноябрь 2013 г.

Дата публикации: 02.11.2013

Статья просмотрена: 49 раз

Библиографическое описание:

Головлев С. В. Анализ процессов формирования молекулярных кластеров в системе углеродный нанообъект — водная среда // Молодой ученый. — 2013. — №11. — С. 32-34. — URL https://moluch.ru/archive/58/8210/ (дата обращения: 17.10.2018).

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.

Основные термины (генерируются автоматически): ион-компенсирующий слой, напряженное состояние, жидкая среда, среда, плоское напряженное состояние, нормальное напряжение, GAMESS, ион-формирующий слой, водородная связь, энергия связи.


Похожие статьи

Определение коэффициента ионизации многоатомных молекул...

Проводя такие измерения для ряда температур, можно по графикам Аррениуса получить истинную энергию связи многоатомных частиц с подложкой и

Поэтому спад ионного тока в условиях модуляции напряжения определяется кинетикой термодесорбции ионов.

Закономерности и описание сверхстехиометрической сорбции...

глауконит, EVDW, ион, взаимодействие, поверхность глауконита, компонент системы, кинетика сорбции ионов гадолиния, катион металла, водородная связь, сорбция.

Критерии оценки многоцикловой механической выносливости при...

Критерии прочности при сложном напряженном состоянии деталей.

1. Критерий наибольших нормальных напряжений. Первая гипотеза прочности основывается на предположении, что причиной разрушения материала являются наибольшие по абсолютному значению...

Параллельный вычислительный алгоритм для анализа...

Введение. Жидкий кристалл – это промежуточное агрегатное состояние вещества, в котором

(5). Таким образом, на новом слое по времени нужно сначала решать уравнение (5) для , а затем уравнение (4) для

Анализ маятниковых волн в слоистой среде на основе одномерной модели.

Экспериментальные и теоретические исследования влияния...

В результате нарушения Si — Si связей при аморфизации доля химически связанных атомов Si и имплантированной примеси становится весомой, что и

Основные термины (генерируются автоматически): спектр, электрон, чистый кремний, ион, имплантированный слой, плазменное...

Анализ тепловых процессов в электрических сетях

Связь между погодными величинами и продукцией нелинейна. Поэтому есть некоторые интервалы, где модель более чувствительна к ошибкам прогноза погоды.

Технологической основой предлагаемых принципов, является сеть датчиков состояния окружающей среды...

Влияние поверхностного напряжения на морфологическую...

Анализ влияния искривленной поверхности пленки на напряженное состояние многослойной пленочной системы без учета поверхностного напряжения был

Требуется оценить влияние поверхностного напряжения на устойчивое состояние плоской формы пленочного покрытия.

Анализ маятниковых волн в слоистой среде на основе одномерной...

записанные относительно продольной скорости в направлении оси ( меняется от 0 до в пределах каждого слоя) и нормального напряжения .

Разработаны вычислительные алгоритмы для исследования распространения волн напряжений и деформаций в слоистых средах...

Идентификация нанообъектов в растворах с помощью...

На барьерный слой нанесен раствор нанообъектов в нитроцеллюлозе, который является потенциальной ямой и вторым барьерным слоем.

Для анализа интенсивностей проведен расчет колебательных спектров поглощения C60 и С70 в программе PC GAMESS (таблица 1).

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Определение коэффициента ионизации многоатомных молекул...

Проводя такие измерения для ряда температур, можно по графикам Аррениуса получить истинную энергию связи многоатомных частиц с подложкой и

Поэтому спад ионного тока в условиях модуляции напряжения определяется кинетикой термодесорбции ионов.

Закономерности и описание сверхстехиометрической сорбции...

глауконит, EVDW, ион, взаимодействие, поверхность глауконита, компонент системы, кинетика сорбции ионов гадолиния, катион металла, водородная связь, сорбция.

Критерии оценки многоцикловой механической выносливости при...

Критерии прочности при сложном напряженном состоянии деталей.

1. Критерий наибольших нормальных напряжений. Первая гипотеза прочности основывается на предположении, что причиной разрушения материала являются наибольшие по абсолютному значению...

Параллельный вычислительный алгоритм для анализа...

Введение. Жидкий кристалл – это промежуточное агрегатное состояние вещества, в котором

(5). Таким образом, на новом слое по времени нужно сначала решать уравнение (5) для , а затем уравнение (4) для

Анализ маятниковых волн в слоистой среде на основе одномерной модели.

Экспериментальные и теоретические исследования влияния...

В результате нарушения Si — Si связей при аморфизации доля химически связанных атомов Si и имплантированной примеси становится весомой, что и

Основные термины (генерируются автоматически): спектр, электрон, чистый кремний, ион, имплантированный слой, плазменное...

Анализ тепловых процессов в электрических сетях

Связь между погодными величинами и продукцией нелинейна. Поэтому есть некоторые интервалы, где модель более чувствительна к ошибкам прогноза погоды.

Технологической основой предлагаемых принципов, является сеть датчиков состояния окружающей среды...

Влияние поверхностного напряжения на морфологическую...

Анализ влияния искривленной поверхности пленки на напряженное состояние многослойной пленочной системы без учета поверхностного напряжения был

Требуется оценить влияние поверхностного напряжения на устойчивое состояние плоской формы пленочного покрытия.

Анализ маятниковых волн в слоистой среде на основе одномерной...

записанные относительно продольной скорости в направлении оси ( меняется от 0 до в пределах каждого слоя) и нормального напряжения .

Разработаны вычислительные алгоритмы для исследования распространения волн напряжений и деформаций в слоистых средах...

Идентификация нанообъектов в растворах с помощью...

На барьерный слой нанесен раствор нанообъектов в нитроцеллюлозе, который является потенциальной ямой и вторым барьерным слоем.

Для анализа интенсивностей проведен расчет колебательных спектров поглощения C60 и С70 в программе PC GAMESS (таблица 1).

Задать вопрос