Theoretical bases of simulation the processes of formation and interaction of nanoparticles in a gas media

A Vakhrushev, A Fedotov
2020 Himičeskaâ fizika i mezoskopiâ  
г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 2 Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7 ________________________________________________________________________________________________ АННОТАЦИЯ. В работе предложена многоуровневая математическая модель для исследования процессов формирования, движения, роста и взаимодействия наночастиц. Модель включает в себя уровень молекулярной динамики, описывающий начальные стадии конденсации, и
more » ... конденсации, и уровень мезодинамики частиц, рассматривающий эволюционное поведение уже сформированных кластеров. Рассмотрены основные формулы метода мезодинамики частиц, в которых реализовано вычисление координат, скоростей, сил, масс наноструктур при переходе от аппарата молекулярной динамики, уравнения движения наночастиц, законы поглощения кластеров. Уравнения движения наночастиц включают в себя описание вращательного движения, а действующие силы содержат вклады потенциального воздействия, влияния свободных атомов наносистемы, сопротивления среды при столкновении наноструктур. Проанализированы механизмы взаимодействия наночастиц на примере потенциалов Леннарда -Джонса и Штокмайера. Вычисление параметров силовых полей осуществляется через усреднение соответствующих характеристик атомов, образующих нанокластер. Использование угловых и несимметричных потенциалов позволяет учесть в математической модели наличие точек роста и активации на поверхности наночастиц. Условие объединения наноструктур сформулировано с точки зрения энергетически выгодного и стабильного состояния и достигается при минимальном значении потенциала между взаимодействующими кластерами. Расстояние между наночастицами вычисляется с учетом их реальных размеров. Эффективность действия потенциала ограничена небольшими дистанциями. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: наночастицы, наноструктуры, газовая среда, математическое моделирование, мезодинамика, взаимодействие, агломерация, конденсация. ________________________________________________________________________________________________ ВВЕДЕНИЕ Наночастицы и материалы на их основе в последнее время находят применение во многих отраслях промышленности, техники и повседневной человеческой деятельности [1 -3]. Благодаря усовершенствованным свойствам нанокластеры существенно повышают функциональные характеристики объектов, в которые осуществляется их внедрение, а также открывают принципиально новые сферы использования ранее известных веществ. Значительный интерес наночастицы привлекают в области медицина, где наноструктуры находят применение в качестве объектов целевой доставки лекарств [4, 5], бактериологических средств [6, 7], а также как метод борьбы с недоброкачественными образованиями [8, 9]. Отдельным перспективным направлением использования нанокластеров является электроника [10, 11]. В области электроники постоянно ведутся работы с целью уменьшения размеров вычислительного оборудования, повышения его быстродействия и эффективности хранения данных. По этой причине на основе наночастиц и наноструктурных материалов создаются новые устройства памяти и составные элементы микропроцессоров [12, 13] . Известны компактные, иногда размером до нескольких молекул или небольшой группы атомов, наноканальные транзисторы [14, 15], химические датчики [16, 17], температурные сенсоры [18], нанопроволочные резисторы [19, 20] с высоким потенциалом использования вследствие малых размеров и стабильных функциональных свойств. Отдельного внимания заслуживают исследования в сфере оптики, где разрабатываются новые материалы с внедрением наночастиц [21, 22]. За счет поглощения расширенного спектра светового пучка значительно повышается коэффициент полезного действия систем на основе данных
doi:10.15350/17270529.2020.1.7 fatcat:w2jxxwasg5gnfeakxzc7h2sehi