WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Жуковский Марк Сергеевич

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО НАНОИНЖИНИРИНГА БИОМИМЕТИЧЕСКИХ НАНОСИСТЕМ

02.00.04 – физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Кемерово - 2012

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Старостенков Михаил Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Ханефт Александр Вилливич доктор химических наук, профессор Папулов Юрий Григорьевич доктор физико-математических наук, профессор Поляков Виктор Владимирович

Ведущая организация: Томский государственный университет, г. Томск

Защита состоится «3» марта 2012 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.088.03 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет» по адресу: 650043, г. Кемерово, ул. Красная, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КемГУ.

Автореферат разослан «___» _______________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Д 212.088.доктор физико-математических наук Кречетов А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время в стадии разработки находятся фундаментальные основы индустрии наносистем нового поколения. Отличительной чертой этой индустрии является многоуровневый процессинг (измерение, контроль, управление, обработка) множества корпоративно действующих открытых неравновесных квантовых наноэлементов. Квантово-размерные элементы сложных наносистем нового поколения по физико-химическим свойствам оказываются «равноудалёнными», как от атомов и молекул, так и от квазиравновесных субмикроскопических корпускул. Критические размеры таких наночастиц менее 10 нм. Новый класс наночастиц имеет сходство с известными в биологии структурными наноэлементами клетки.

Например, с тубуленами (размер около 8 нм), которые являются основным строительным элементом цитоскелета, играющего ключевую роль в процессах обработки информации в живой клетке. Подобные биологическим, энергонасыщенные, корпоративно действующие, малые биомиметические наночастицы требуют фундаментального исследования с целью разработки их наноинжиниринга.

В инжиниринге нанотехнологий первого поколения упор был сделан на квантово-размерные эффекты. Их легко получить, управляя расположением атомов, молекул, а также дефектов в матрице конденсированного состояния. Например, формируя нанослоевые интерфейсы различных фаз, одномерные и нульмерные сегрегации химических частиц определённого состава. В методах конструирования инжиниринга первого поколения физико-химические наносистемные процессы подчиняются управлению через целенаправленное изменение внешних для них термодинамических интенсивных переменных — параметров макросистемы: температуры T, давления P, тензора механических напряжений , химических потенциалов элементов , напряженности электрического поля Е и т.п.

В наноинжиниринге биомиметических наносистем нового поколения процессы монтажа не могут однозначно управляться только внешними термодинамическими переменными. Они способны сложно корпоративно самоуправляться, используя скрытые внутренние кинематические степени свободы, активируемые на очень короткие субфемтосекундные интервалы времени в предельно малых нано-областях когерентно коррелированного движения биомиметических наночастиц. Фемтосекундная корпоративная мультикинетика задаёт самосборку и самоорганизацию биомиметических наносистем.. Требуется детальное исследование фундаментальных основ и компьютерных методов инжиниринга биомиметических наносистем, Развиваемый подход основан на концепции доминирования фундаментальных квантовых диссипативных наноструктур в адаптивном поведении биомиметических наносистем. Решение стоящих проблем должно дать возможность построения замкнутых нанотехнологических линий по самопроизводству наноустройств различного функционального назначения. Создание адаптивных к внешним условиям среды кибернетических наноустройств и приборов является наиболее приоритетной целью развития наноинжиниринга биомиметических наносистем. Особую значимость это имеет для резкого повышения эффективности производства и утилизации энергии, информации, материалов, а также создание принципиально новых наносистем, обладающих свойствами быстрой адаптации к окружающей среде и сверхскоростными ресурсами интеллекта.

Актуальность темы. Создание инновационной наноиндустрии нового поколения требует опережающих темпов развития её фундаментальной триады: «нанонаука — наноинжиниринг — нанотехнологии». Проблемы, на решение которых направлена данная диссертационная работа являются весьма актуальными для всей триады. Создаваемые сейчас новые нанотехнологии имеют два основных фундаментальных отличия от существующих технологий первого поколения. Первое отличие. Одной из основ этих нанотехнологий должны стать фемто- и аттосекундные методы импульсного когерентного процессинга неравновесных наносистем. Второе отличие состоит в том, что общей основой будущих нанотехнологий станет наноинжиниринг самосборки и самоорганизации нового типа адаптивных интеллектуальных биомиметических наносистем.

Препятствием на пути развития триады индустрии наносистем нового поколения является отсутствие в настоящее время источников когерентного импульсного излучения в области вакуумного ультрафиолета (УФ) и мягкого рентгена (МР), требующиеся для остро фокусируемого субфемтосекундного процессинга биомиметических наносистем. Разработчики, не имея инструментов наблюдения и процессинга, не могут пока понять, что происходит в ходе монтажа. Единственным «наноскопом» в эксперименте является компьютерный наноинжиниринг биомиметических систем. В диссертации с целью решения когнитивных задач разработаны теоретические основы компьютерных методов имитирования фемтосекундного наноинжиниринга биомиметических наносистем и созданы для проведения имитационных экспериментов программные комплексы «КомпНаноТех» и «Компьютерный наноинжиниринг».

В связи с вышеотмеченным актуальными являются представленные в диссертации анализ и интерпретация результатов решения нескольких новых задач в области фемтосекундного наноинжиниринга биомиметических наносистем водорода, углерода, переходных и благородных металлов с помощью разработанных программных комплексов.

Целями диссертационной работы являются:

Формулирование физико-химических основ кинетической теории квантовых диссипативных структур биомиметических наносистем.

Разработка компьютерного наноинжиниринга биомиметических наночастиц.

Анализ на основе результатов компьютерных экспериментов физико-химических закономерностей релаксационных процессов самосборки и самоорганизации биомиметических наносистем водорода, углерода, переходных и благородных металлов.

Для достижения целей определены следующие основные задачи:

1. Разработка физико-химических основ теории квантовой релаксации биомиметических наносистем, как квантовых диссипативных наноструктур конденсированного состояния.

2. Раскрытие физико-химических механизмов формирования квантовых диссипативных наноструктур развёртывания во времени кинетики квантовых процессов обмена энергией в биомиметических наносистемах.

3. Развитие теоретических методов описания квантовых диссипативных наноструктур и процессинга многоуровневых биомиметических наносистем.

4. Разработка теоретических основ компьютерных методов имитирования фемтосекундного наноинжиниринга биомиметических наносистем и создание для проведения имитационных экспериментов программных комплексов «КомпНаноТех» и «Компьютерный наноинжиниринг».

5. Исследование квантовых диссипативных наноструктур водорода в процессах самосборки и самоорганизации биомиметических наносистем радикалов и бирадикалов водорода, водородных связей в воде.

6. Исследование квантовых диссипативных наноструктур углерода в процессах самосборки и самоорганизации биомиметических наносистем углеродных наногелей и графеновых нанолистов.

7. Исследование квантовых диссипативных наноструктур переходных (титан, никель) и благородных (серебро) металлов в процессах самосборки и самоорганизации фрактальных и кластерных биомиметических наносистем.

8. Компьютерный наноинжиниринг многоуровневой самосборки и самоорганизации биомиметических электродов-катализаторов водородных топливных наноэлементов из нанографена, наногелей углерода, наночастиц никеля и активированных радикалов и бирадикалов водорода.

Научная новизна работы состоит в нижеследующем.

Впервые предложены и исследованы физико-химические механизмы квантовой релаксации биомиметических наносистем на основе эмиссии энергии неравновесных наночастиц в диссипативную подсистему составных электронно-дырочных квазичастиц конденсированного состояния.

Впервые показано, что квантовая релаксация биомиметических наночастиц – это цепочка чередований фемтосекундных и субфемтосекундных стадий. На фемтосекундной стадии происходит скрытая внутренняя конверсия энергии наночастицы в энергию электронно-дырочной пары, а на субфемтосекундной – акт диссипации накопленной энергии вместе с парой в конденсированное состояние.

Впервые показано, что на фемтосекундных стадиях происходит когерентная неадиабатическая релаксация биомиметических наночастиц, в результате которой ядерные подсистемы без теплового нагрева снижают потенциальную энергию за счёт её внутренней конверсии в энергию электронно-дырочных пар, а электронные подсистемы, флуктуируя по заряду и спину, удерживают эти электронно-дырочные пары в наночастицах.

Впервые развиты применения ряда теоретических методов (матриц плотности, нелокальных функционалов плотности, квантовой топологии плотности) к задачам описания электронных квантовых диссипативных наноструктур и процессинга многоуровневых биомиметических наносистем. В частности, описаны три типа релаксационных электронных связей атомов (, , ) в диссипативных биомиметических наносистемах с топологическим графом связей Г, задающих квантовые диссипативные наноструктуры.

Впервые разработаны компьютерные методы имитирования квантовой релаксации биомиметических наносистем, созданы алгоритмы программных комплексов «Компьютерная нанотехнология (КомпНаноТех)» и «Компьютерный наноинжиниринг», получивших государственную регистрацию программного обеспечения.

Впервые проведено систематическое компьютерное исследование квантовых диссипативных наноструктур водорода в процессах самосборки и самоорганизации биомиметических наносистем радикалов и бирадикалов водорода, а также водородных связей в воде.

Впервые проведено систематическое компьютерное исследование квантовых диссипативных наноструктур углерода в процессах самосборки и самоорганизации биомиметических наносистем углеродных наногелей и графеновых нанолистов.

Впервые проведено систематическое компьютерное исследование квантовых диссипативных наноструктур переходных (титан, никель) и благородных (серебро) металлов в процессах самосборки и самоорганизации фрактальных и кластерных биомиметических наносистем.

Впервые рассмотрен компьютерный наноинжиниринг многоуровневой самосборки и самоорганизации биомиметических электродовкатализаторов водородных топливных наноэлементов из нанографена, наногелей углерода, наночастиц никеля и активированных бирадикалов водорода.

Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для прогнозирования самосборки и самоорганизации нового типа адаптивных интеллектуальных биомиметических наносистем и наноустройств в режиме нанотехнологий импульсного когерентного фемтосекундного процессинга неравновесных наночастиц металлов, полупроводников и неметаллов.

В диссертации приведён ряд выводов, касающихся закономерностей квантовой релаксации, пространственно-временных структур аттракторов стационарных неравновесных состояний биомиметических наносистем.

Эти выводы могут быть применены для разработки технологических режимов фемто-секундного процессинга при создании защитных биомиметических покрытий, мембран, аккумуляторов водорода, электродовкатализаторов топливных элементов на основе активированного водорода, наногелей и нанографена углерода, фрактальных и кластерных частиц серебра, титана и никеля. Результаты работы могут быть использованы для исследования более широкой наноэлементной базы, позволить в дальнейшем модифицировать, улучшать эксплуатационные характеристики биомиметических материалов по сравнению с биосистемами.

В диссертации развита теоретическая основа компьютерных методов наноинжиниринга биомиметических наносистем и созданы для проведения имитационных экспериментов программные комплексы «КомпНаноТех» и «Компьютерный наноинжиниринг», с помощью которых в учебном процессе решаются познавательные и творческие задачи в ряде образовательных программ в системе подготовки и переподготовки профессиональных кадров для индустрии наносистем. Они реализованы в виртуальной среде имитационных экспериментов высокопроизводительными компьютерами АлтГТУ им. И.И. Ползунова и АлтГУ (г. Барнаул).

На основании проведённых исследований на защиту выносятся:

1. Физико-химические основы теории процессов квантовой релаксации, самосборки и самоорганизации квантовых диссипативных биомиметических наносистем.

2. Теоретическое описание генезиса и фемтосекундного процессинга квантовых диссипативных наноструктур биомиметических наносистем.

3. Методы компьютерной имитации фемтосекундного наноинжиниринга квантовых диссипативных биомиметических наносистем.

4. Физико-химические модели и закономерности фемтосекундной самосборки и самоорганизации квантовых диссипативных биомиметических наносистем водорода.

5. Физико-химические модели и закономерности фемтосекундного наноинжиниринга квантовых диссипативных биомиметических наносистем углерода.

6. Физико-химические модели и закономерности фемтосекундногонаноинжиниринга квантовых диссипативных биомиметических наносистем переходных и благородных металлов.

7. Модель многоуровнего наноинжиниринга электродов водородных топливных элементов на основе квантовых диссипативных биомиметических наносистем водорода, углерода и переходных металлов.

Работа была выполнена в рамках приоритетного направления науки, технологий и техники РФ «03. Индустрия наносистем и материалов» и критических технологий РФ «07. Нанотехнологии и наноматериалы» (Указ Президента РФ, 2006 г.), приоритетного направления науки, технологий и техники РФ «02. Индустрия наносистем» и критических технологий РФ «07. Компьютерное моделирование наноматериалов, наноустройств и нанотехнологий», а также «8. Нано-, био-, информационные, когнитивные технологии» (Указ Президента РФ, 2011 г.) при поддержке программ Федерального агентства по образованию и МинОбрНауки РФ (№ 01.2.006 06607; № 01 2009 57020; № 01201171592 ), грантов РФФИ (№08-08-00053 а; №10-08-98000-р_сибирь_а; № 11-03-98037р_сибирь_а; № 11-08-92205-Монг_а), гранта Президента РФ (МК – 2077.

2007.3).

Достоверность результатов исследований базируется на физической обоснованности используемых в диссертационной работе методов теории квантовой релаксации диссипативных систем, термополевой динамики и квантово-полевой химии конденсированного состояния. Моделирование наносистем проведено с использованием апробированных межатомных потенциалов, рассчитанных методом функционала плотности. Корректность параметров потенциалов подкреплена сопоставлением с известными литературными данными. Ряд полученных результатов для фемтосекундных трансформаций наночастиц металлов, свободного нанографена, полиаморфных превращений льда качественно и количественно совпадают с данными натурных экспериментов.

Личный вклад автора состоит в развитии научного направления и постановке задач, решение которых составляют положения, выносимые на защиту. Автору принадлежит основная роль в выборе теоретических методов исследования, построения алгоритмов программных комплексов, проведении модельных расчётов, в анализе, интерпретации результатов, формулировке выводов. Все результаты исследований получены и опубликованы при определяющем участии автора диссертации.

Апробация работы. Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, представлялись и докладывались на различных симпозиумах с нанотехнологической тематикой ежегодных Международных конференций Европейского Сообщества Исследователей Материалов: E-MRS Spring Meeting (Strasburg (France): 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2007, 2008); E-MRS IUMRS ICEM Spring Meeting, Nice (France), 2006; E-MRS Fall Meeting (Warsaw (Poland): 2008, 2009, 2010, 2011); а также на Международных конференциях: International Conference on Engineering and Technological Sciences Beijing (China), 2000; Nano and Giga Challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia, Moscow (Russsia), 2002;

International Conference on Hydrogen materials science and chemistry of carbon nanomaterials ICHMS (Crimea (Ukraina): 2003, 2005, 2007, 2009); 6th Biennial International Workshop Fullerenes and Atomic Clusters IWFAC'2003, St Petersburg (Russia), 2003; II conference of the Asian consortium for computational materials science ACCMS-2, Novosibirsk (Russia), 2004; VIII Conference on physics status solidi, Almaty (Kazarhstan), 2004; International Conference on Nanoscience and Technology ChinaNANO (Beijing (China): 2007, 2009); International Symposium Metal-Hydrogen Systems. Fundamentals and Applications. Moscow (Russia), 2010 Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy, Moscow (Russia), 2011; кроме того, на Всероссийских и СНГ конференциях с международным участием: IX Международная конференция «Физико-химические процессы в неорганических материалах» (Кемерово (Россия): 2004, 2007); международная конференция «Материалы и покрытия в экстремальных условиях:

исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий» (Крым (Украина): 2006, 2008, 2010); всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы. Получение, свойства, применение». (Красноярск (Россия): 2006, 2009); Всероссийская конференция по наноматериалам НАНO 2007, Новосибирск (Россия);

всероссийская конференция по наноматериалам НАНО 2009.

Екатеринбург (Россия) 2009; I ежегодная конференция Нанотехнологического Общества России (НОР), Москва (Россия), 2009; VII Международная конференция студентов и молодых учёных «Перспективы развития фундаментальных наук» Томск (Россия), 2010; и ряде других.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в монографии, 2 пособиях, 95 статьях, из них 67 статей в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах (28 из списка ВАК), 28 статей в сборниках материалов конференций. Также получены свидетельства о государственной регистрации двух программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка использованной литературы (227 наименований). Работа изложена на 3страницах, включая 8 таблиц и 88 рисунков.

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы, представлен краткий обзор структуры диссертации, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе кратко проведено рассмотрение постановки задач в физической химии биомиметических наносистем, их основные прикладные аспекты.

В настоящее время термин «биомиметика» в основном ассоциируется с частью работ, в которых исследуются возможности создавать наноструктуры с использованием природного механизма самосборки на основе ДНК, РНК, белковых молекул и т.д. Вместе с тем, возникло общее понимание биомиметических наносистем, как искус ственных наносистем, имитируюРисунок 1 – Характер диссипатив- щих свойства биосистем и созданной релаксации квазистационарной ных на основе принципов, реализо(1) и биомиметической (2) наноча- ванных в живой природе. К их спестиц в диссипативной системе цифическим свойствам относят конденсированного состояния высокую селективную активность и адаптивность в физико-химических процессах, самосборку и самоорганизацию, лёгкую изменчивость и высокую степень разнообразия наноструктурных форм, наличие информационного ресурса в физико-химических процессах.

Биомиметическая наночастица (система) — это энергонасыщенная неравновесная квантовая частица квантово-полевой диссипативной системы конденсированного состояния, которая за счёт внутренней системной самосборки и самоорганизации функциональных наноэлементов способна регулировать в ходе квантовой релаксации временной темп и характер процесса диссипации запасённой энергии. Квантовая релаксация биомиметической наночастицы имеет мульти-кинетический характер, который иллюстрируется на рисунке 1. Сложное релаксационное поведение биомиметической наночастицы аналогично спуску искусного горнолыжника, который за счёт перестроений внутренней системной самоорганизации функциональных «элементов», способен сложно регулировать временной темп и характер диссипации энергии в ходе «ступенчатого» релаксационного спуска. Простая квазистационарная релаксация наноразмерной частицы, аналогична простому спуску горнолыжника.

Дан общий анализ современного состояния развития теории и компьютерных методов имитации квантовой релаксации наночастиц. В теоретическом плане проанализированы основные элементы общей теории квантовой релаксации наночастиц и приближения квазистационарной квантовой релаксации, имеющие известные аналитические решения экспоненциального распада в приближении «времени жизни».

В общем подходе исходят из того, что наночастица с конечным числом степеней свободы является открытой квантовой динамической системой, находящейся в контакте с диссипативной системой конденсированного состояния. Она обменивается с диссипативной системой частицами (Nn 0) и энергией (Еn 0). К частицам относятся электроны и ядра.

Обмен энергии осуществляют фотоны, коллективные квазичастицы типа фононов и роевые квазичастицы типа экситонов.

Система «наночастица + диссипативная система конденсированного состояния» является замкнутой и описывается статистическим оператором чистого квантового состояния D. Он зависят от времени согласно квантовому уравнению Лиувилля:

iћD(t)/t = [H, D], (1) где Н — гамильтониан, включающий кроме гамильтониана Нn наночастицы и гамильтониана диссипативной системы НТ, гамильтониан их взаимодействия — НnT :

Н = Нn + НТ + НnT. (2) В основном приближении необратимости для системы «наночастица + диссипативная система конденсированного состояния» статистический оператор D(t) представим в виде произведения статистических операторов смешанных квантовых состояний наночастицы DnT(t) и среды DT:

D(t) ~ Dзап(t) = DTDnT(t). (3) Здесь DT — независящий от времени статистический оператор термодинамической равновесной диссипативной системы конденсированного состояния (термостат). В приближении необратимости (1.3) уравнение эволюции наночастицы в смешанном квантовом состоянии приобретает вид кинетического уравнения:

DnT(t)/t = L[хn(t), DnT(t), ], (4) где L – кинетическая функция квантового Лиувиллиана, зависящая от операторов динамических физических величин хn(t) и статистического оператора DnT(t) наночастицы, а также от средних значений физических величин , диссипативной системы термостата.

В случае реализации Марковского стохастического процесса в открытых диссипативных квантовых системах общее уравнение квантовой кинетики (4) принимает вид уравнения Линдблада, описывающего неунитарную эволюцию статистического оператора частицы:

DnT/t = [Нn, DnT]/(iћ) + k {[ Vk DnT, V+k ] +[Vk, DnT(t)V+k]}/(2ћ).

Это уравнение является наиболее общим видом Марковского производящего уравнения, в котором полугруппа неунитарных операторов {Vk:

VkV+k I} описывает необратимый процесс релаксации наночастицы. Вид операторов {Vk} неунитарной трансформации гильбертова пространства состояний наночастицы зависит от модели кинетической функция квантового Лиувиллиана L. Например, в термополевой динамики и квантовополевой химии конденсированного состояния было получено уравнение неунитарной эволюции квантовых частиц — компактонов. Квантовое уравнение эволюции компактонов имеет негамильтонов вид:

DnT/t = [Нn, DnT]/(iћ) + LT[Нn P+DnT - DnT P+Нn ]+LT+/(iћ), где в правой части присутствуют операторы неунитарных преобразований (+ = I + P). и неэквивалентных преобразований LTLT+ LT+LT гильбертова пространства квантовых состояний компактона – самоорганизованной финитной квазичастицы конденсированного состояния.

Если в начальный момент времени наночастица находится в неравновесном термодинамическом состоянии, то с течением времени, подчиняясь кинетическому уравнению, она стремится в равновесное термодинамическое состояние. Приближение квантовой системы наночастицы к равновесному состоянию и называется процессом квантовой релаксации.

В случае простой квантовой наночастицы внутренний гамильтониан Нn и гамильтониан её взаимодействия с диссипативной системой конденсированного состояния НnT не зависят от времени. Поэтому статистический оператор DnT(t) наночастицы меняется во времени только за счёт диссипации энергии в процессе необратимой квантовой релаксации.

Аналитической решение кинетического уравнения (4) в случае простой наночастицы возможно в приближении квазистационарной квантовой релаксации. В этом приближении возбуждённая энергией Еn* квантовая наночастица слабо взаимодействует с термостатом. Находясь в квазистационарном адиабатическом состоянии, она понижает свой запас энергии возбуждения путём резонансного обмена малыми порциями энергии nt с диссипативной T- системой: nt << Еn*. Тогда решение кинетического уравнения (4) описывает релаксацию компоненты DnT(Еn*|t) возбужденного состояния наночастицы к равновесному термодинамическому состоянию по экспоненциальному закону: DnT(Еn*|t)=DnT(Еn*|0)exp(-t/Tn).

При этом экспоненциальный закон релаксации имеет один кинетический параметр — время жизни Tn исходного возбужденного состояния. Энергия возбуждённой наночастицы: En(t) = Sp [DnT(Еn*|t) Нn] = E0n exp(- t/Tn).

График экспоненциального убывания энергии показан на рисунке 2.

Выход за рамки задачи квазистационарной квантовой релаксации наночастицы требует привлечения численных методов и использования компьютерного моделирования. Детали компьютерного имитирования релаксации наночастиц даны в рамках известных расчётных методов молекулярной механики и молекулярной динамики, Рисунок 2 – Квазистационарная метода Монте-Карло и метода клеточных автоматов. Отмечены их кинетика квантовой релаксации наночастицы возможности и недостатки В заключение обзорной главы рассмотрены актуальные задачи развития теории и компьютерных методов имитации неравновесных наносистем. Основное внимание уделено теории и применению моделей клеточных автоматов для имитации самосборки и самоорганизации биомиметических наносистем. Констатирована необходимость существенного развития физико-химических аспектов теории и компьютерного моделирования квантовой кинетики процессов самосборки и самоорганизации биомиметических наносистем. Проведена постановка задач исследования.

Во второй главе изложены вопросы физико-химических основ теории квантовой релаксации биомиметических наносистем. Дана квантовополевая концепция релаксации биомиметической наночастицы, в рамках которой определены три физико-химических механизма релаксации биомиметических наночастиц и их систем.

Первый механизм зависит от гамильтониана замкнутой наночастицы Hn. Он задаёт квазиравновесный тип квантовой релаксации, рассмотренной в первой главе. Два других механизма специфичны только для биомиметических наночастиц и порождены двумя разными причинами.

Прежде всего, форма кинетической функции Лиувиллиана L в правой части кинетического уравнения (4) зависит от сложности механизмов процесса диссипации энергии наночастицы. Они описываются в модели гамильтониана взаимодействия НnT наночастицы с диссипативной средой конденсированного состояния Вместе с тем, необходимо учитывать в ходе релаксации сложные механизмы процессов трансформации внутренних кинематических параметров наночастицы — её конфигурационного пространства динамических переменных xn (t) и алгебраической структуры статистического оператора DnT(t). Они происходят в результате квантовополевых флуктуаций самой диссипативной системы конденсированного состояния, описываемой гамильтонианом НТ.

Рассмотрим квантовую релаксацию наночастицы в квантово-полевой диссипативной системе конденсированного состояния более детально. С этой целью подставим гамильтониан полной системы (2) и основное приближение необратимости (3) в квантовое уравнение Лиувилля (1). В результате получим следующее операторное уравнение:

(iћDT/t)DnT + DT(iћDnT/t) = HnDTDnT - DTDnTHn + НТDTDnT - DTDnTHT + HnT DTDnT - DTDnTНnT.

В этом уравнении используем условие динамической равновесности квантово-полевой диссипативной системы термостата Т: DT/t = 0 и условия кратковременной внезапности флуктуаций статистического оператора DT квантово-полевой диссипативной системы в форме требования коммутации статистического оператора состояния диссипативной системы с каждой компонентой гамильтониана объединённой системы «наночастица + диссипативная квантово-полевая система конденсированного состояния»: [Hn, DT] = [HT, DТ] = [HnT, DТ] = 0. Тогда уравнение необратимой эволюции квантовой наночастицы в контакте с квантово-полевой диссипативной системой примет вид редуцированного квантового уравнения Лиувилля для статистического оператора наночастицы DnT:

iћDnT/t = [Нn, DnT] + [НТ, DnT] + [НnT, DnT ].

Это уравнение позволяет ввести в рассмотрение физико-химические механизмы трёх квантово-полевых процессов эволюции биомиметической наночастицы. Каждый механизм описывается одним из слагаемых в правой части этого кинетического уравнения. Проанализируем их.

Операторные условия замкнутости наночастицы, при нулевом обмене частицами (Nn = 0) и энергией (Еn = 0) с квантово-полевой диссипативной системой, имеют вид: [НТ, DnT] = [НnT, DnT] = 0. Тогда кинетическое уравнение принимает типичный для замкнутой наночастицы вид:

iћDnT/t= [Нn, DnT].

При условии консервативности наночастицы её гамильтониан Нn явно не зависит от времени и это уравнение интегрируется в рамках квантовой теории представлений. При этом показано, что оператор-коммутатор [Нn, DnT] является инфинитезимальным генератором группы операторов сдвига во времени вида Un(t) = exp(-itНn/ћ) и Un+(t) = exp(itНn/ћ), с помощью которых решение операторного уравнения можно представить:

DnT(t) = Un(t)DnT(0)Un+(t), где DnT(0) — статистический оператор замкнутой консервативной наночастицы в начальный момент времени t = 0. Это решение обратимо во времени описывает процесс канонического преобразования статистического оператора наночастицы из начального момента времени DnT(0) в момент времени t — DnT(t) в результате действия на него оператора сдвига Un(t) = exp(-itНn/ћ) по координате времени t. Унитарный оператор Un(t) сохраняет при сдвиге по времени шпур матрицы плотности статистического оператора замкнутой наночастицы равным единице SpDnT(t) = SpDnT(0) = 1.Оператор Un(t)— это также оператор эквивалентного преобразования, так как он преобразует при сдвиге времени начальное гильбертово пространство HnT(0) состояний наночастицы в эквивалентное ему гильбертово пространство HnT(t) в момент времени t.

Нарушение замкнутости наночастицы в квантово-полевой диссипативной системе конденсированного состояния определяются двумя другими инфинитезимальными генераторами [НТ, DnT] и [НnT, DnT] двух других операторов сдвига во времени: LT(t) = exp(-itНТ/ћ) и nT(t) = exp(itНnT /ћ). Сдвиг генерируется гамильтонианом НТ самого квантового поля диссипативной системы конденсированного состояния и гамильтонианом НnT взаимодействия наночастицы с квантовым полем диссипативной системы конденсированного состояния. В предположении того, что они действуют последовательно на малых отрезках времени +, как внезапные возмущения инфинитезимального генератора унитарноэквивалентного сдвига по времени [Нn, DnT], в линейном приближении временной теории возмущения решение для открытой наночастицы принимает вид:

DnT(+) = Un(+)LT()nT()DnT(0)nT+()LT+()Un+(+).

В рамках термополевой динамики и квантово-полевой химии показано, что оба оператора сдвига времени LT() и nT() нарушают унитарноэквивалентную обратимую эволюцию. Оператор LT() нарушает за время эквивалентность трансформации открытой наночастицы, изменяя число степеней свободы (хn) и её статистического оператор DnT(t). Это происходит в результате того, что входящие в гамильтониан НТ конденсированного состояния квантово-полевые флуктуации составных квантовых частиц изменяют число степеней свободы (хn) наночастицы и вызывают процессы внутренней конверсии энергии наночастицы. Оператор nT() за счёт действия гамильтониана взаимодействия НnT нарушает при сдвиге времени унитарность статистического оператора DnT(t) открытой наночастицы, вызывая процессы распада квантово-полевых флуктуаций внутри наночастицы и эмиссию накопленной энергии в диссипативную среду.

На фемтосекундных i - стадиях происходит когерентная неадиабатическая релаксация биомиметических наночастиц, в результате которой ядра самоорганизовано без теплового нагрева снижают потенциальную энергию при её внутренней конверсии в энергию электронно-дырочных пар. На субфемтосекундных i-стадиях электронная подсистема наночастицы эмитирует эти пары в среду конденсированного состояния (рисунок 3).

Рисунок 3 – Развертка во времени дискретного изменения полной энергии EMTn (t), потенциальной энергии ядер 0(t) и энергии экситонной флуктуации exc (t) в актах внутренней конверсии энергии {i} и диссипации энергии {i} релаксирующей биомиметической наночастицы.

Получены аналитические зависимости длительности и протяжённости смещения S0() стадий квантовой релаксации от температуры Т, нуклеарности В, тензора обратной массы ядер М-1 и антиградиента потенциальной энергии в конфигурационном пространстве ядер наночастицы:

= {[3ВкТ] /[(gradR00 ) M-1 (gradR00 )]}1/2. S0() = (3/2)ВкТ[(gradR00 )M-1(gradR00 )M-1]1/2 /[(gradR00 ) M-1 (gradR00 )].

Рост Т и В, уменьшение М-1 и антиградиента потенциальной энергии уменьшает пространственно-временные шаги квантовой релаксации.

В заключении дано сравнение физико-химических параметров экситонных и фононных каналов диссипации энергии. Сделан вывод о том, что эти каналы диссипации эффективны в различных временных масштабах. Основным для биомиметических наночастиц в диапазоне атто- и фемтосекундных процессов является экситонный. Фононный канал эффективен в области пико- и наносекундных процессов диссипации.

В третьей главе исследованы электронные квантовые диссипативные структуры биомиметических наносистем, формирующиеся на субфемтосекундных i стадиях эмиссии экситонных флуктуаций в диссипативную среду конденсированного состояния. На этих стадиях идёт самосборка квантовой диссипативной наноструктуры трёх типов (, , ) электронных связей наночастиц в биомиметической наносистеме. Она задаётся графом электронных связей атомов – Г. Эти стадии – точки адиабатической бифуркации графа Г – задают начальные условия ддя последующих фемтосекундных i -стадий самоорганизованного неадиабатического релаксационного движения ядер биомиметической наносистемы(рисунок 4).

Листы энергетических поверхностей 0 (R| Г), '0 (R| Г' ) биомиметической наносистемы наночастиц рассчитываются методом нелокального функционала электронной плотности, имеющего параметрическую зависимость от графа Г. В диссертации рассмотрена известная в квантовополевой химии реализация метода нелокального функРисунок 4 – Катастрофы графа Г ционала плотности в при(i) <=> Г' (I) электронной квантовой ближении модели орбитальдиссипативной наноструктуры в точках но-оболочечных функционабифуркации энергетической поверхности лов электронной плотности.

'0 (i) = 0 (i) наносистемы При фиксации графа Г вариационная процедура сводится к поиску точной нижней границы функционала на множестве пробных спинорбитальных плотностей электронных квазичастиц и орбитальнооболочечных электронных распределений атомов биомиметических наночастиц. В приближении подграфа связей Г, пар топологических атомов Бейдера адиабатическая энергия 0(R| Г) наносистемы биомиметических наночастиц принимает вид:

0(R| Г) = (1/2)p p'Skpp' kpp'(Rpp');

где p = 1,..., В, p' = 1,..., В – индексы атомов Бейдера наночастиц, (Skpp' ) — матрицы смежности рёбер k-связей ( k = , , ) графа Г, (kpp'(Rpp')) — матрица энергий k-взаимодействий p и p' атомов, (Rpp') — матрица межъядерных расстояний в заданной точке конфигурационного пространства R наносистемы. Для расчета матрицы энергий k-связей (kpp'(Rpp')) используется метод орбитально-оболочечного нелокального функционала плотности. Вся биомиметическая наносистема разбивается на систему попарных k -связей ( k = , , ) атомов Бейдера. Это – обобщение известного парного приближения на случай наносистемы биомиметических наночастиц.

На рисунке 5 дано парное разбиения для наносистемы трёх наночастиц.

Две из них (1|2) образуют димерный -кластер запутанных наноэлементов составной наночастицы. -связь означает то, что статистические операторы каждой из этих двух функциональных элементов находятся в смешанном состоянии: DnT(1|2) = [DnT(1) + D (1|2)] + [DnT(2) + D (2|1); D nT nT (1|2), D nT(2|1) — вклады запутывания обменной контактной -связи в nT статистические операторы первой и второй наночастицы, соответственно.

На рисунке 5 показаны - связи взаимодействия в - ассоциате двух незапутанных наночастиц (димерной и мономерной) путём обмена энергией через диссипативную систему конденсированного состояния.

Полная матрица плотности статистического оператора Рисунок 5 – Топологический подграф биомиметической наносипарных связей Г (, , ) в биомиметичестемы имеет вид: DnT(1|2|3) ской наносистеме трёх наночастиц.

= DnT(1|2) + DnT(3).

Для мономера 3 показана топология системного подграфа Г наноструктуры внутренних обменных -связей взаимодействия атомов внутри наночастицы.

В заключении главы описаны мультитрансформации графа Г (i) <=> Г' (i) электронной квантовой диссипативной наноструктуры биомиме тических наносистем в рамках теории матриц плотности. Развит подход к описанию квантово-запутанных <=><=> механизмов процессинга неравновесных открытых наносистем материалов. Каждая квантовая наночастица имеет внутренние системные трансформации запутывания и распутывания её элементов и внешние системные трансформации декогеренции и рекогеренции. Квантово-полевые флуктуации процессов объединения и распада квантовых составных наночастиц более высокого структурного уровня (К+1), а также запутывания и распутывания квантовых элементов уровня (К-1) внутри наночастиц уровня (К) ведёт к стохастическим процессам образования многоуровневой иерархии биомиметических наносистем, как это показано на схеме.

|____| |_______| |___| |__________| наностр. уровень К+++++++++++++++++++++++++++ наностр. уровень К -------------------------------------------- наностр. уровень К- Процессинг биомиметических наносистем идёт на субфемтосекундных i-стадиях самосборки квантовой диссипативной наноструктуры и количественно описывается мерой информационной энтропии Шеннона.

В четвертой главе рассмотрены вопросы построения компьютерного наноинжиниринга квантовых диссипативных наноструктур и многоуровневого процессинга биомиметических наносистем. Вначале изложена традиционная концепция двухуровневой «микро-макро» иерархии строения термодинамически равновесного вещества в рамках термополевой динамики конденсированного состояния, в которой макроуровень определяется структурой топологических дефектов линейных физических полей простых квантовых квазичастиц - бозонов (фононы и т.п.), описывающих медленные пико- и наносекундные возмущения. Рассмотрено обобщение этой концепции на случай быстрой атто- и фемтосекундной неравновесности конденсированного состояния вещества в квантово-полевой химии конденсированного состояния. Показано формирование трёхуровневой «микро-мезо-макро» иерархии строения, в которой мезоуровень биомиметических наночастиц определяется структурой топологических дефектов нелинейных физических полей составных квантовых квазичастиц-бозонов (экситоны и т.п.), описывающих быстрые атто- и фемтосекундные возмущения. Далее трёхуровневая иерархия используется для введения атомного и микрочастичного строения биомиметических наносистем термодинамически неравновесного вещества (рисунок 6).

В соответствие со схемой многоуровневой организации существуют три основных направлений развития наноинжиниринга и нанопроцессинга биомиметических наносистем. Во-первых, это – направление квантово-полевой химии (КПХ). Самый сложный раздел наноинжиниринга – построение системы измерений, контроля, управления и процессинга на самом уровне наномира биомиметических наночастиц.

Во-вторых, это – направление Рисунок 6 – Трехуровневая схема квантовой топологии плотности строения биомиметических наноси(КТП), в котором разрабатываетстем термодинамически неравновесся раздел наноинжиниринга ного вещества «сверху – вниз» на уровне атомов и молекул с помощью энергетических, информационных и инструментальных ресурсов биомиметических наночастиц.

Биомиметические наносистемы накапливают их энергию на внутренних степенях свободы составных двухчастичных электронных флуктуаций, предотвращая, как тепловой разогрев решётки ядер, так и эмиссию электронов из материала. В ходе протекании фемтосекундной релаксации формируются квантовые диссипативные наноструктуры биомиметических наносистем по Рисунок 7 – Временная развёртка схеме показанной на рисунке 7.

процессов активации Видно, что в результате пербиомиметической наночастицы вичной активации:

субфемтосекундным импульсом |ne-N>0|e-e+>0|0>* => |ne-N>0|e-e+>0* лазера и последующей квантовой => |ne-N-1(e-e- + e-e+)>0* => |neрелаксации.

>0*|e-e+>0 возникло неравновесN ное активированное состояние В-третьих, это – направление |ne-N>1* наносистемы, из которого термополевой динамики (ТПД). В нём начинается эстафетный марковразрабатывается раздел ский процесс ступенчатой релакнаноинжиниринга «снизу – вверх» – сации (рисунок 7). Ступенчатый построение системы измерений, сброс энергии образуют временконтроля, управления и процессинга ной ряд {i; i} неравновесного на уровне микрочастиц с помощью приближения к одному из стациэнергетических, информационных и онарных состояний аттрактора.

инструментальных средств На каждом отрезке времени i биомиметических наночастиц.

происходит внутренняя ядерноИзложены основы атто- и экситонная конверсия энергии в фемтосекундного импульсного состоянии |ne-N-1(e-e-+e-e+)>i*. Она лазерного процессинга задаётся адиабатическим силобиомиметических наносистем. В вым полем в начальном состоярамках релятивистской квантовой нии |ne-N>i-1* шага и стохастичетеории электрона показано, что кроме ским неадиабатическим силовым «горячих» электронно-плазменных полем квантовых флуктуаций механизмов существуют и другие зарядовых распределений неравмеханизмы диссипации энергии новесных электронных пар.

субфемтосекундных импульсов лазерного излучения в материале Развитый подход использован для построения компьютерной модели биомиметической релаксации наносистем. На стадии фемтосекундной внутренней конверсии закон движения ядерной конфигурации наносистемы определяется равенством в виде преобразования сдвига:

i f, Xi 1 Xi Si i ||f || где Xi=[x1x2…x3N]i— вектор координат ядер N-атомной системы в пространстве ее конфигураций; Si — евклидово расстояние смещения; i — индекс, численно равный порядковому номеру итерации; fi = f — направляющий вектор смещения:

grad E , f ea er – ||grad E|| |||| где E — адиабатическая энергия как функция координат ядер X; — случайно направленный вектор, задаваемый флуктуацией заряда экситонных пар, как это показано на рисунке 8.

Путь Si = S когерентного смещения на стадии внутренней конверсии от i до i+1 выражается в рамках конечно-разностной схемы формулы для S0() в виде:

3BkT (Fp mp ) p, S || S || 2 (Fp )2 mp p где В- нуклеарность системы;

T-температура окружения; k- постоянная Больцмана, Fp- Рисунок 8 – Сложение адиабакомпоненты вектора антиградитического антиградиента и его ента; mp - массы ядер (атомов) в неадиабатической флуктуации при составе биомиметической нановнутренней конверсии энергии ядер системы.

биомиметической наносистемы.

Температура Т также изменяет форму адиабатической поверхности энергии биомиметической наносистемы за счёт эффекта неадиабатического обрезания радиуса действия адиабатических потенциалов между наночастицами. Из условия декогеренции показано, что адиабатический потенциал связи двух биомиметических частиц не существует для расстояний свыше некоторого критического, когда энергия связи меньше чем kT Этот эффект показан на рисунке 9. Влияние температуры проявляется в тепловом перестроении графов связей Г (Т) Г(Т’). С ростом температуры число рёбер в графе связей Г уменьшается.

В главе дано определение процессов самосборки и самоорганизации биомиметических наносистем, используемых в методах компьютерного наноинжиниринга. Они показаны на рисунке 8 в схеме квантовой релаксации биомиметической наносистемы. Самосборка – это упорядоченный во времени процесс спонтанного Рисунок 9 – Неадиабатический эффект трансформирования электронkT - обрезания адиабатических потенной квантовой диссипативной циалов биомиметических наночастиц.

наноструктуры связей атомов Г(Ri) -> Г’ (Ri) на стадии диссипации энергии в бифуркационной точке Ri на энергетической поверхности в пространстве конфигураций ядер R.Самоорганизация – это упорядоченный во времени процесс когерентного трансформирования конфигурации ядер R(t) микрочастиц на стадии внутренней конверсии энергии между последовательными точками бифуркации Ri -> R(t) -> Ri+на энергетической поверхности в пространстве конфигураций ядер R при заданной в предыдущей во времени точке бифуркации Ri электронной квантовой диссипативной наноструктуры – графа электронных связей атомов Г’.(i).

Субфемтосекундная длительность самосборки порядка i ~ 30 ac. Она задаёт предельный размер биомиметических наночастиц: i = с i ~ 9 нм.

Фемтосекундная длительность самоорганизации порядка i ~ 5 фc. Она задаёт размер биомиметической микрочастицы Li = сi ~ 1.5 мкм. Что хорошо согласуется с типичными размерами элементов цитоскелета и самой клетки. В итоге рассмотрено компьютерное моделирование процессов релаксационной самосборки и самоорганизации биомиметических наносистем в компьютерных программных комплексах «КомпНаноТех» и «Компьютерный Наноинжиниринг».

9. В пятой главе изучены физико-химические модели и закономерности фемтосекундного наноинжиниринга биомиметической самоорганизации и самосборки трёх наносистем водорода. Проведено исследование квантовых диссипативных наноструктур радикалов и бирадикалов водорода, водородных связей в воде.

Первой решена задача о квазистационарных состояниях аттракРисунок 10 – Стадии само- тора релаксации биомиметической сборки атомов и самоорганизации наночастицы атома водорода в микрочастиц при релаксации био- конденсированном состоянии.

миметических наносистем Электронные квантовые степени свободы финитного биомиметического состояния |Н> атома водорода описываются линейной комбинацией одноэлектронного состояния атома |Н0> = |e- > и «катион-анионного» состояния атома |Н+Н-> = |e+e- + e-e- >/2 с электроном и когерентной экситонной флуктуацией в виде: |Н> = Сc |Н0> + Сk|Н+Н->. Методом нелокального функционала плотности найдены стационарные состояния аттракторов |Н>, как точные нижние границы энергии для различных значений амплитуд {Сc, Сk} при условии нормировки: |Сc |2 + |Сk|2 = 1 и различном радиусе R финитного биомиметического Н-атома. На рисунке 11 представлены листы точных нижних границ энергий для некоторых предельных комбинаций амплитуд. Кривая энергии одноэлектронного состояния |Н0> атома водорода (Сс = 1) имеет минимум при R = , который, в согласии с экспериментом, соответствует инфинитному атому водорода с энергией равной – 13.6 эВ.

Видно, что стационарные аттракторы реализуются при определённой комбинации амплитуд. Для открытого биомиметического атома водорода существует конечный размер стационарного аттрактора – низшей энергией (-13.8 эВ) обладает финитный биомиметический атом водорода с диаметром 2R = 0.32 нм. Для аттрактора вклад |Сk|2 состояний |Н+Н-> составляет около 5% и 95% — это вклад |Сc |2 радикала – атома |Н0>. Это позволяет объяснить постоянство удельного объёма и энергии растворённого атомарного водорода в металлах в диапазоне концентраций от 0 до 20%.

Энергия связи и равновесный объём компактного биомиметического атома водорода, находящегося в аттракторе квантовой релаксации, близки к экспериментальным данным. Полученные результаты представляют интерес для понимания квантового релаксационного механизма транспортировки атомов водорода внутри кристаллических гранул, межфазных границ, аморфных веществ и низкоразмерных Рисунок 11. Энергия биомименаноструктур металлов.

тической наночастицы атома воДалее рассмотрен вопрос о самодорода. Стационарный аттрактор сборке и самоорганизации биоми(СkСс 0) – (––). Неравновесметических наноструктур водородные состояния: (Сk = 1) – (–– ных связей воды при участии атома ); (Сс = 1) – (); (СkСс 0) – водорода.

().

Рассмотрены современные теории фазовых переходов льда с изменением плотности в экстремальных условиях. Сформулированы модели самосборки и самоорганизации аморфных фаз льда высокой и низкой плотности с использованием графов электронных связей атомов Г. Основное внимание уделено описанию релаксационных - и -водородных связей молекул воды, формируемых биомиметическим атомом водорода. На рисунке 12 показаны квантово-химические особенности этих связей.

H H O H O O H O z z H H H H Рисунок 12 – Образование двух (, ) типов водородной связи молекул воды в квантовых диссипативных наноструктурах льда. Крестиком обозначены связевые критические точки типа (3;-1) в водородной -связи.

Рассчитанные методом нелокального функционала плотности энергии - и -водородных связей молекул воды позволили смоделировать строение биомиметических наносистем аморфного льда в виде -класте- ров – мономеров молекул воды, как это показано на рисунке 13.

Межмолекулярные водородные связи между наночастицами (Н2О)n определяют квазиравновесную адгезионную устойчивость аморфных фаз льда.

Долевое распределение количества связей и связей определяет строение конденсированных фаз воды. С учётом существования физических связей в рамках термополевой Рисунок 13 – Модель наноструктуры динамики полное долеаморфных фаз льда вое распределение типов связей определяется с использованием минимизации энергии Гиббса, как многомерной функции количеств каждого типа связи в графе Г квантовой диссипативной наноструктуры –,, :

, где G, ,U, , , , p, , G,, - энергия Гиббса, U, , - внутренняя энергия, , , - энтропия, , , - объём наносистемы, - давление, - температура диссипативной системы p термостата. При этом.

T, S / k В результате минимизации энергии Гиббса при условии сохранения числа связей атомов Г найдены распределения типов связей и строение аморфных фаз льда при различных температурах и давлении. Показано, что в аморфных структурах высокой плотности и низкой плотности льда различается состав биомиметических наночастиц молекул воды, Найденые средние размеры наночастиц в этих двух аморфных фазах льда: 1 нм (низкая плотность) и 35 нм (высокая плотность) дали величину скачка плотности 16% при полиаморфном переходе близкую к экспериментальному значению (20%). Их параметры представлены на рисунке 14.

L 1нм L 35 нм Низкая плотность Высокая плотность T = 298 K; P = 105 Па T = 135 K; P = 0.2 ГПа Рисунок 14 – Наноструктурное строение аморфных фаз льда В заключении пятой главы представлены результаты исследования биомиметических систем активированных бирадикалов водорода, адсорбированных на поверхности одностенной углеродной нанотрубки малого диаметра при различных температурах в условиях хаотической посадки.

Биомиметические наночастицы водорода представлены на рисунке распределениями электронных спин-орбиталей и типами электронных связей атомов в графе Г. Видно, что существуют два типа кластерных контактных связей типа: внутри бирадикала – и между двумя бирадикалами – out. Они различаются наличием «заряда на связи» в более крепкой –связи и его отсутствием в более слабой out –связи.

Рисунок 15 – Три формы биомиметических наночастиц водорода:

синглетный -мономер Н2, бирадикальный -димер H-H и out- тетрамер двух бирадикальных димеров (H-H) – (H-H) Параметры потенциалов и out связей, рассчитанные методом нелокального функционала плотности сведены в таблицу 5.2. Переворот спина соседних атомов в тетрамере меняет параметры связи, что определяет характер расположения в бирадикалов в адсорбате. Связи бирадикалов водорода с атомами углеродной трубки также представлены в табл. 5.2.

Таблица 5.2 — Параметры Н-Н и С-Н и out – связей Связь R, нм E, кДж/моль НН () 0,08 164,НН ( out) 0,10 52,Н-Н ( out) 0,26 6,СН ( out) 0.18 27.В физико-химической модели есть три этапа процесса сорбции водорода углеродной нанотрубкой. Начальным состоянием первого являются -мономеры водорода и идеальная одностенная нанотрубка. Такая наносистема принимается за стандартное состояние (рисунок 16 (1)). На второй стадии активации -мономеров водорода (катализаторами) идёт образование активированных бирадикалов водорода с их последующей самосборкой внутри и на поверхности нанотрубки углерода. В результате этой самосборки формируется неравновесное состояние биомиметической наносистемы (рисунок 16 (2)). На третьем этапе превалирует процесс самоорганизации бирадикалов в адсорбате, по завершению которого наносистема попадает в некоторый стационарный аттрактора (рисунок 16 (3)).

Исходной для моделирования являлась вторая стадия самосборки активированных димеров (НН) в результате их стохастического осаждения на внешнюю и внутреннюю поверхность углеродной нанотрубки. После чего посредством компьютерного имитирования изучался третий этап сорбции.

Рисунок 16 – Схема пути формирования квантовой диссипативной наноструктуры аккумулирования бирадикалов водорода в нанотрубке углерода Проведённые расчёты показали немонотонные зависимости характеристик адсорбатов бирадикалов водорода от концентрации и температуры. При криогенной температуре Т = 77 К с увеличением содержания водорода внутри нанотубулена, устойчивость его адсорбата уменьшается.

При комнатной температуре с ростом концентрации устойчивость сначала повышается, затем падает. Это связано с тем, что с ростом числа бирадикалов взаимодействие между ними увеличивается, но в ущерб их взаимодействию с углеродным каркасом нанотрубки. Температурные различия объясняются тем, что с ростом концентрации водорода водород выходит из нанотрубки и концентрируется на внешней поверхности (рисунок 17). Такое явление в существенно меньшей степени наблюдается при Т = 77 К.

Рассмотренные нами процессы самосборки и самоорганизации активных бирадикалов водорода позволяют получать высокую ёмкость. Димеры (НН) могут быть использованы в проведении реакций гидрогенизации.

Они законсервированы в нанотрубке, так как в отсутствие катализаторов их дезактивирование в мономер (НН) (НН) запрещено по спину.

Eb = – 33 кДж/моль Eb= –44 кДж/моль =7,7 мас.%, =14,3 мас.%, Рисунок 17 – Биомиметическая наносистема бирадикалов водорода в нанотрубке углерод при Т = 293 К. Eb – энергия сорбции водорода.

В выводах отмечены основные результаты по биомиметическим наносистемам водорода и их соответствие ряду экспериментальных фактов.

В шестой главе изучены физико-химические модели и закономернос- ти фемтосекундной самоорганизации и самосборки биомиметических наносистем углерода.

Методом компьютерного моделирования при разных температурах исследована биомиметическая самоорганизация слабо перфорированных Г-мономерных нанолистов графена В качестве модели был взят лист нанографена прямоугольной формы: 14 нм х 8 нм, содержащий 50атомов и одну, две и три вакансии в центре.

Кинетика изменения полной энергии связи на атом за счет изменения длин -связей и энергии их изгибных деформаций в фемтосекундном диссипативном процессе релаксации неравновесного нанографена при двух температурах Т = 300 К и Т = 3500 К и одной вакансии показана на рисунке 18. Видно, что выход изначально активированного - монослоя нанографена на «плато» аттрактора сильно зависит от температуры. При этом квантовая стохастическая эволюция неравновесного нанографена релаксирует быстрее при высокой температуре (t300K 15пс и t3500K 8пс).

Длительность актов диссипации по механизму когерентных электроннодырочных пар сильно флуктуирует от 4 до 8 фс. Видно, что при высокой температуре насыщенность энергией (- 6.2 эВ/ат) и амплитуда флуктуаций энергии (0.2эВ/ат) нанографена с одной вакансией значительно выше, чем при комнатной температуре (-6.39эВ/ат и 0.02 эВ/ат, соответственно). При этом их отдаленность от состояния термодинамического равновесия (Т = К, Е = -6.40 эВ/ат и 0.00 эВ/ат) не мешает сохранению флуктуационного движения в стационарных аттракторах в течение десятков и сотен пикосекунд времени эволюции.

Рисунок 18 – Кинетические кривые релаксации энергии нанографена с одной вакансией при Т = 300К, 3500 К.

На рисунке 19 показаны топографии стационарных структур нанографена с одной вакансией при Т = 300 К(слева) и Т = 3500 К, соответственно. Их вид даёт текстуру релаксированного графена с одной вакансией в центре нанолиста. Видно, что с ростом температуры растёт число острых «пиков» и «впадин». Однако средние высоты этих неоднородностей малы – 0.13 А (300 К) и 024 А (3500 К), что составляет десятые доли толщины листа. Биомиметические графеновые нанолисты хорошо сохраняют форму при высоких температурах и наличии малого числа вакансий.

Рисунок 19 – Топография аттракторов нанографена при Т = 300 К и Т = 3500 К Вместе с тем, нами обнаружено, что энергия образования вакансий в аттракторе нанографена критически зависит от параметров процесса. При температуре 300 К энергия растёт монотонно с ростом числа удалённых атомов. Тогда как, при температуре близкой к температуре плавления (Т = 3500 К) наблюдаются аномальные скачки энергии образования вакансий.

При этом в стационарном неравновесном аттракторе бивакансионный дефект понижает энергию биомиметического нанографена на 2.8 эВ.

Во второй части главы исследованы процессы самосборки и самоорганизации биомиметических наногелей углеродных наноалмазных частиц.

Самосборка описана трансформациями наноструктуры: Г -> Г связей наночастиц в биомиметической наносистеме. Самоорганизации дальнейшими трансформациями связей по типу: Г -> Г.

Показано существование трёх основных типов аттракторов биомиметических наногелей углерода, представленных на рисунке 20.

Рисунок 20 – Три типа наногелей кубических наночастиц углерода в субмикронной поре: «рыхлый», «клеточно-матричный» и «твёрдый» тип.

Они существенно различаются своими статистическими и информационными характеристиками в зависимости от концентраций наночастиц.

Рисунок 21 – Вероятностное распределение первых координационных чисел в случае «рыхлого» (10%), «клеточно-матричного» (65%) и «твёрдого (100%) наногелей.

Рисунок 22 – Шенноновская информация Is графа Г -связей при различной пористости аттракторов биомиметического наногеля углерода Сделан вывод о том, что наиболее адаптивным является тип «клеточно-матричного» наногеля, близкого по свойствам к наносистемам биологических клеток. В выводах по данной главе отмечены основные результаты и их соответствие ряду известных экспериментов.

В седьмой главе даны физико-химические модели и закономерности фемтосекундного наноинжиниринга биомиметической самоорганизации и самосборки различных наносистем благородных и 3d-переходных металлов по схемам «сверху-вниз» и «снизу-вверх».

Результаты компьютерного имитирования квантовой релаксации Гмономерных кубических наночастиц серебра с длиной ребра L=1.8 нм, содержащих 500 атомов, при T=300 K показаны на рисунке 23. Видно, что -наночастица частично потеряла исходную кристаллическую структуру и форму в аттракторе (б). При этом видна разнознаковая кривизна граней аттрактора (б). Это - активная химическая наночастица. Биомиметическая - мономерная наночастица серебра флуктуирует относительно среднего уровня энергии, который на сотни кДж/моль лежит выше энергии аналогичного по составу термодинамически равновесного кластера атомов серебра. Без потери устойчивости амплитуда фемтосекундных флуктуаций энергии аттрактора биомиметической наночастицы серебра достигает десятков кДж/моль. Это объясняет её потенциальные возможности, как каталитического активного центра, инициировать на своей поверхности протекание различных элементарных химических и биохимических реакций, что является ценным свойством при создании активных бактерицидных наноструктур серебра на полимерных микроволокнистых носителях.

Рисунок 23 – Радиальные функции распределения и морфология компактного Г- мономера Ag500 в начальном неравновесном нестационарном состоянии (а) и в конечном состоянии аттрактора после самоорганизации (б) Рисунок 24 – Радиальные функции распределения и мофология фрактального Г-полимерного кластера Ag1667, после самосборки (а) и после самоорганизации аттрактора в течение 70 пс при T = 300 K (б) На рисунке 24 для сравнения представлен результат биомиметической самосборки и самоорганизации «снизу-вверх» Г-полимерного дендритного аттрактора 1667 атомов серебра при той же температуре 300К.

Из рисунка 25 следует, что температурный режим оказывает существенное влияние, во-первых, на степень связности Г-наноструктуры фрактального кластерного полимера атомов серебра. Хотя нанодендрит не приходит к полной фрагментации на уплотнённые скопления, однако имеет место закономерное сокращение числа связей между ними с ростом температуры, что отражается в более высоком ходе кривой E(t) на рисунке 7.5 для бльших T. Во-вторых, размах энергетических флуктуаций также растет с ростом T, причем флуктуации не теряют силы и по мере приближения к стационарному состоянию аттрактора.

Рисунок 25 – Кинетика релаксации самоорганизации биомиметического фрактального Г-кластера Ag1667 в координатах энергия – время в различных температурных режимах: 300 K (1); 600 K (2); 900 K (3) Выполненный компьютерный наноинжиниринг синтеза «сверхувниз» Г-мономерных и «снизу-вверх» Г-полимерных по типу электронных связей биомиметических наночастиц серебра дал качественное согласие с результатами натурного эксперимента по структуре и морфологии нанодисперсий серебра на полимерном волокне.

Далее рассмотрена биомиметическая самосборка и самоорганизация «снизу-вверх» Г-полимерных фрактальных покрытий никеля в нанопорах. Модель синтеза полимерных фрактальных биомиметических наноструктур никеля в нанопорах развита для трёх схем расположения центров нуклеации: одного ядра в центре грани и объёма, решётки ядер нуклеации на одной и на двух гранях нанопоры.

Результаты компьютерного эксперимента дали возможность рассчитать ряд физикохимических характеристик процессов формирования покрытий в режиме биомиметической кинетики, такие как энергия связи, фрактальная Рисунок 26 – Результат самоорганизации размерность и другие.

наноструктуры никелевого покрытия. а – - полимер (граф Г ) b – – мономер (граф Г) Например, на рисунке 26 показан переход от неустойчивого - полимерного (граф Г ) к - мономерному (граф Г) биомиметическому покрытию нанопоры в случае первичной адсорбции атомов никеля на двух противоположных гранях поры.

Переход наносистемы в новое состояние Г Г привел к понижению энергии на 10 кДж/моль и к увеличению фрактальной размерности до 2.55. При смене полимерного графа Г атомного кластера на мономерный граф Г возросла фрагментации покрытия: плотные фрагменты стремятся к плотнейшей упаковке атомов металлического никеля. При этом релаксация биомиметической наноструктуры не приводит к сплошности.

Внутри нанополости субстрата возникают мелкие нанопоры самого мономерного Г покрытия.

В главе описана биомиметическая самоорганизация «сверху-вниз» Г - мономерных компактных наночастиц никеля и титана, важных для наноинжиниринга биомиметических систем адаптивных скелетов наноустройств и наноприборов нового поколения.

Найдены неустойчивости симметричных форм Г -мономерных наночастиц никеля при фемтосекундной биомиметической квантовой релаксации под действием фемтосекундных импульсов излучения рис. 7.(слева) и при тепловом воздействии нагрева образца рис. 7.25 (справа).

Рисунок 27 – Трансформация нанобруска никеля Ni(Г) в сфероид.

Влияние температурного режима на форму аттрактора наночастицы NiN(Г).

Обнаружена мультикинетика биомиметической релаксации мономерных наночастиц никеля (при разной нуклеарности и температуре) со сменой аттракторов (рисунок 28) Рисунок 28 – Кинетика релаксации кубоида Ni172(Г) во времени при Т = 300 К. Формы, энергии и времена жизни аттракторов (а), (б) (в).

Аналогичные исследования показали высокую устойчивость аттракторов симметричных форм Г -мономерных наночастиц титана при фемтосекундной биомиметической квантовой релаксации Для трёх форм:

сферы, цилиндра и параллелепипеда найдены энергии устойчивых аттракторов в зависимости от нуклеарности и температуры (рисунок 29).

Рисунок 29. Энергия связи на атом в TiN(Г) в зависимости от формы наночастицы и нуклеарности при Т = 300 К (слева) и температуры термостата при нуклеарности с N=500 (справа).

В выводах по главе отмечены основные результаты и их соответствие ряду известных экспериментов.

В восьмой главе предложена модель и алгоритм многоуровневого наноинжиниринга биомиметических электродов катализаторов водородных топливных элементов. Для этого проведён компьютерный наноинжиниринг электродов-катализаторов водородных топливных элементов на основе биомиметических наносистем водорода, углерода и 3d-переходных металлов. Блок-схема его показана на рис. 8.Рисунок 30 – Многоуровневый синтез системы биомиметического электрода-катализатора: A – мезопорная микроматрица графитового или графенового электрода, B – углеродный наногель в мезопорах, C – фрактальная наносистема d-металлов. D – бирадикальная наночастица водорода.

Выполнено компьютерное моделирование биомиметических Гполимерных наносистем никель-водород на электродах топливных элементов. Рассчитаны их физико-химические характеристики (рисунок 31, 32).

Рисунок 31 – Генезис биомиметической системы 2479 кластеракатализатора атомов никеля в нанопоре матрицы наногеля при Т = 2К Рисунок 32 – Кинетические кривые самоорганизованной релаксации биомиметических кластеров-катализаторов Ni2479(Г) после самосборки при трёх температурах: (1) T = 298 K; (2) T = 600 K; (3) T = 900 K.

Проведён расчёт термодинамических потенциалов Г- димерной и Г- тетрамерной кластерных биомиметических наносистем Ni2 и Ni2H2. Он позволил установить детали захвата димерным активным центром биомиметического никеля – Ni2 активных бирадикалов водорода H2. На основании этого построены схема путей процессинга активных бирадикалов водорода биомиметическим электродом-катализатором, необходимая для интерпретации физико-химической модели и закономерностей биомиметической самоорганизации и самосборки этого класса электродов нового поколения (рисунок 33.1).

Рисунок 33.1 – Диссипативные механизмы активации и дезактивации моно- и бирадикалов водорода в биомиметической наносистеме электрода-катализатора анода водородного топливного элемента.(1 и этапы) Рисунок 33.2 – Диссипативные механизмы активации и дезактивации моно- и бирадикалов водорода в биомиметической наносистеме электрода-катализатора анода водородного топливного элемента.(3 и этапы) В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе. Сделан вывод, что проведённое теоретическое исследование и компьютерные эксперименты позволили определить ряд общих особенностей и закономерностей процессов квантовой релаксации, самосборки и самоорганизации биомиметических наносистем на основе водорода, углерода, 3d-переходных и благородных металлов. Что даёт необходимую основу для развития фундаментальной триады «нанонаука –наноинжиниринг – нанотехнологии», определяющей становление индустрии наносистем нового поколения.

Основные результаты и выводы На основе проведенных исследований можно выделить следующие общие выводы по всей диссертационной работе:

1. В зонах субфемтосекундных атомных превращений квантовая релаксация неравновесных биомиметических наносистем в условиях фемтосекундной диссипации энергии обладает рядом признаков биосистем, такими как: спонтанная аттосекундная атомно-молекулярная самосборка наночастиц, фемтосекундная самоорганизация систем наночастиц в микрочастицы клеточного типа, пикосекундная мультикинетическая релаксация наночастиц к различным по морфологии и химическому составу неравновесным энергонасыщенным стационарным аттракторам. При этом формируется иерархическое трёхуровневое строение неравновесного вещества: атомная частица – биомиметическая наночастица – клеточная микрочастица.

2. В кинетике биомиметических наносистем существуют три фундаментальных физико-химических механизма процессов квантовой релаксации биомиметических наносистем: унитарно-эквивалентого Un(t) = exp(-itНn/ћ), унитарно-неэквивалентного LT(t) = exp(-itНТ/ћ) и неунитарноэквивалентногоnT(t) = exp(-itНnT /ћ) сдвигов времени эволюции. Последние два механизма нарушают унитарно-эквивалентную обратимую эволюцию открытой биомиметических наносистем, формируя мультикинетический тип квантовой релаксации.

3. Мульти-кинетический тип квантовой релаксации биомиметической наночастицы характеризуется по-стадийной формой. Каждая стадия состоит из последовательности двух связанных между собой элементарных актов. Акт первый — когерентная внутренняя конверсия энергии наночастицы в энергию экситонной флуктуации. Акт второй — это диссипация энергии экситонной флуктуации наночастицы во внешнюю диссипативную систему конденсированного состояния.

4. В наносистеме биомиметических наночастиц существует иерархия трёх топологических графов электронных связей атомов Г = Г + Г. + Г электронной квантовой диссипативной наноструктуры. Релаксационные -, -, - взаимодействия имеют следующий физико-химический смысл: — связи электронных взаимодействий между разными ядрами (p-вершинами, p = 1, 2,., B) внутри В-ядерной мономерной биомиметической наночастицы; — связи электронных взаимодействий между разными мономерными наночастицами (-вершинами, = 1, 2,., M) в Ммерном биомиметическом нанокластере; — связи диссипативных энергетических взаимодействий наночастиц и нанокластеров (w-вершинами, w = 1, 2,., W) посредством взаимного обмена энергией через диссипативную систему конденсированного состояния в W-мерном наноассоциате.

Энергия -, -, - взаимодействий рассчитывается методом нелокального, зависящего от графа Г, функционала плотности.

5. Самоорганизация биомиметических микрочастиц – это процесс когерентного трансформирования конфигурации ядер R(t) между последовательными точками бифуркации Ri -> R(t) -> Ri+1. Это – стадия внутренней конверсии энергии ядер в энергию экситонных флуктуаций. Характер движения – неадиабатический. Длительность стадии – фемтосекунды.

Размер биомиметической микрочастицы – микроны.

6. Самосборка атомов биомиметических наночастиц – это процесс спонтанного трансформирования квантовой диссипативной наноструктуры Г(Ri) -> Г’ (Ri) электронных связей атомов в бифуркационной точ ке Ri Это – стадия диссипации энергии экситонных флуктуаций. Характер движения – адиабатический. Длительность стадии – десятки аттосекунд.

Размер биомиметической наночастицы – нанометры.

7. Субфемтосекундные процессы самосборки и фемтосекундные процессы самоорганизация образуют цепную эстафету взаимообусловленых трансформаций электронных и ядерных компонент биомиметических наносистем. На некоторых этапах релаксации эта эстафета в течение пико- и наносекундных периодов времени жизни задерживается в вырожденных активированных мультиплетных состояниях релаксационных аттракторов, адаптируясь к внешним условиям квантовой релаксации без рассеяния энергии в диссипативную систему конденсированного состояния.

8. Субфемтосекундные импульсные лазерные воздействия способны генерировать и проводить процессинг биомиметических наносистем в конденсированном состоянии. Фемтосекундная релаксации формирует квантовые диссипативные наноструктуры биомиметических наносистем.

В диапазоне атто- и фемтосекундных процессов для биомиметических наночастиц основным является экситонный канал диссипации энергии.

9. Учёт влияния температуры Т, нуклеарности В, тензора обратной массы М-1, эффектов неадиабатичности, энергии связи электронных -, -, - взаимодействий на темп времени квантовой релаксации и трансформации S0() позволил разработать разностную схему алгоритма программ компьютерного моделирования квантовой релаксации биомиметических наносистем. На основе этих алгоритмов были разработаны и успешно применены для решения задач имитации наноинжиниринга и процессинга биомиметических наносистем программные пакеты «Компьютерная нанотехнология» и «Компьютерный наноинжиниринг».

10. Найдено, что для стационарного аттрактора биомиметической наночастицы атома водорода вклад би-ионных состояний (Н+Н-) составляет 5%, а вклад компактного радикала атома водорода Н0 — 95%. При этом аттрактор с диаметром квантово-размерного Н-атома 0.32 нм и с энергией связи 26 кДж/моль, близок к типичным линейным размерам и энергии растворённых атомов водорода в гидридах материалов.

11. Показано, что в аморфных структурах высокой плотности и низкой плотности льда различается состав биомиметических наночастиц молекул воды, а также соотношение - и - электронных водородных связей атомов в графе Г. Найденые средние размеры наночастиц в этих двух аморфных фазах льда дали величину скачка плотности 16% при полиаморфном переходе, близкую к экспериментальному значению (20%).

12. Найдены зависимости параметров аттракторов аккумулирования бирадикалов водорода в нанотрубке углерода от температуры и концентрации: энергия обратимой адсорбции проходит через максимум при изменении концентрации, который уменьшается с ростом температуры.

Бирадикалы водрода, имея высокую химическую активность, законсервированы в одностенной нанотрубке, так как они спонтанно не дезактивируется в мономер: (НН) (НН) в отсутствие катализаторов в силу запрета по спиновой симметрии для этой реакции на углероде нанотрубки.

13. Квантовая релаксация формирует устойчивый аттрактор биомиметического нанографена со слабовыраженной «горно-долинной» морфологией, в среднем, за время 10 пс при длительности стадий фемтосекундных диссипации 6 фс. С ростом температуры увеличивается время выхода на устойчивый аттрактор, при этом значение минимальной энергии возбуждения, уровень флуктуаций и амплитуда искажений возрастает. Выявлено, что число вакансий существенно влияет на энергетические характеристики, но не геометрические параметры листа нанографена.

14. Существует три основных типа устойчивых аттракторов квантовой биомиметической релаксации наногелей алмазных наночастиц: «рыхлый гель», «матрично-клеточный гель», «твёрдый гель». Получено согласие по фрактальной размерности результатов компьютерного имитационного эксперимента в области низких концентраций «рыхлого наногеля» углерода с данными экспериментов в области низкоконцентрированных коллоидов гидрозолей наноалмазов и смесей взрывных наноалмазов.

15. Модели синтеза «сверху-вниз» и «снизу-вверх» биомиметических активных наночастиц серебра имитируют синтез на поверхности полимерно-микроволокнистых носителей активных бактерицидных центров.

Показано, что оба типа наносистем имеют существенные морфологические и энергетические отличия. Энергонасыщенность устойчивых активных центров способствует инициированию на их поверхности протекания элементарных химических реакций и формированию бактерицидных наноструктур серебра на полимерных микроволнистых носителях.

16. Фрактальные кластеры никеля, синтезированные «снизу-вверх» в нанопорах, формируют никелевые биомиметические покрытия и катализаторы. Полученные бимиметическим синтезом «сверху-вниз» мономеры наночастиц никеля в широком диапазоне нуклеарности, форм и температур имеют ряд специфических физико-химических свойств: изомерию форм «кубоид – сфероид», бифуркации форм кубоидов в ходе биомиметической кинетики, ступенчатость изменения режима релаксации при программированном пикосекундном резком изменении температуры, потерю формы в результате пикосекундного воздействия фемтосекундного когерентного УФ-лазера или высоких температур.

17. Полученные бимиметическим синтезом «сверху-вниз» мономеры наночастиц титана в широком диапазоне нуклеарности, форм и температур имеют существенные отличия от никеля – у них нет температурной неустойчивости симметричных форм наночастиц.

18. Используя свойства стационарных аттракторов биомиметических систем графена, наногелей углерода, нанофракталов никеля-катализатора и бирадикалов водорода, построен алгоритм компьютерного наноинжиниринга самосборки и самоорганизации многоуровневого биомиметического устройства – электрода-катализатора водородного топливного элемента. Алгоритм можно реализовать в случае применения импульсных лазерных источников фемтосекундного диапазона с целью инициирования и поэтапного монтажа наноустройств в условиях жидкой диссипативной системы конденсированного состояния.

Основные публикации по теме диссертации Материалы диссертации изложены в 95 статьях, основные результаты опубликованы в научной монографии и в журналах из списка ВАК:

1. Жуковский М.С., Безносюк С.А., Потекаев А.И., Старостенков М.Д. Теоретические основы компьютерного наноинжиниринга биомиметических наносистем. Томск: Изд-во Научно-Техническая Литература. – 2011. 236 с.

2. Жуковский М.С., Безносюк С.А., Ладыгин Ю.И. Компьютерный наноинжиниринг функциональных биомиметических материалов и устройств// Нанотехника.- №1(25).- 2011.- с. 80-3. Жуковский М.С., Безносюк С.А. Фемтосекундный процессинг наносистем: теория и компьютерное моделирование квантовых диссипативных наноструктур// Известия АлтГУ. – 2011. – N 3/1(71). – С.108-14. Жуковский М.С., Лысак И.А., Лысак Г.В., Важенин С.В., Малиновская Т.Д., Безносюк С.А. Формирование наночастиц серебра на полипропиленовых микроволокнистых носителях// Известия вузов.

Физика.-т.54.-№7.-2011-С.9-5. Жуковский М.С., Шмаков И.А., Жуковская Т.М., Безносюк С.А., Старостенков М.Д. Компьютерное моделирование квантовой биомиметической релаксации перфорированного листа нанографена // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2011. т.8.

№2. С. 57-6. Жуковский М.С., Шмаков И.А., Затонская Л.В.,. Важенин С.В., Безносюк С.А. Компьютерное моделирование фемтосекундного процессинга перфорированного листа нанографена // Известия АлтГУ. – 2011. – N 3/1(71). – С.113-17 Zhukovsky M.S., Fomina L.V. Beznosyuk S.A. Computer modeling of hy-drogen fuel cell subsystems: Carbon nanogel electrodes and fractal nanoparticle catalysts// International Journal of Hydrogen Energy V.36, N1, 2011.- P. 1212-128. Maslova O.A., Vazhenin S.V., Zhukovsky T.M., Zhukovsky M.S., Beznosyuk S.A. Nanosystem accumulators of hydrogen: Quantum polyconden-sates of hydrogen biradicals in carbon nanotubes// International Journal of Hydrogen Energy V.36, N1, 2011, - P. 1287-129. Жуковский М.С., Безносюк С.А. Метод матриц плотности в теории процессинга открытых неравновесных наносистем// Известия АлтГУ. – 2010. –N 1(65). – С. 127-110. Гаврусева Е.Ю., Жуковский М.С., Безносюк С.А. Моделирование температурной зависимости свойств неравновесных наночастиц титана методом квантовой нанодинамики //Известия АлтГУ. – 2010. – N 3/2(67). – С. 135-111 Важенин С.В., Жуковский М.С., Безносюк С.А. Эффекты бифуркаций и мультистабильности в квантовой химии металлических нанокластеров// Известия АлтГУ. – 2010. –N 3/1(67). – С.143-112. Земцова Ю.В., Жуковский М.С., Безносюк С.А. Исследование устойчивости допированных марганцем алмазоподобных наноструктур A3B5, A2B4C52 методом компьютерного моделирования // Известия АлтГУ. – 2010. – N 3/2(67). – С. -.146-149.

13. Жуковский М.С., Безносюк С.А. Би-ионные и би-радикальные релятивистские субфемтосекундные квантовые флуктуации неравновесных наносистем// Ползуновский Вестник. – 2009. –N 3. – с. 19-23.

14. Beznosyuk S.A., Lerh Ya.V., Zhukovsky M.S., Zhukovsky T.M. Informational approach to self-assembling aggregation of colloidal nanoparticles// Materials Science & Engineering C Biomimetic and Supramolecular Systems 29 (2009) 884-888.

15. Beznosyuk S.A., Lerh Ya.V., Vazhenin S.V., Zhukovsky M.S., Zhukovsky T.M. Self-assembling growth of fractal catalysts on fuel cell’s electrode// Journal of Nanoscience and Nanotechnology 9 (2009) 1582-1516. Beznosyuk S.A., Maslova, O.A., Fomina L.V.,Zhukovsky M.S. Selfassembling of hydrogen superadsorbate in single-walled carbon nanotubes// Superlattices and Microstructures 46 (2009) 384-386.

17. Beznosyuk S.A., Maslova O.А., Shtobbe I.A., Zhukovsky M.S., Zhukovsky T.M. Theoretical modeling of hydrogen polycondensation on car-bone nanotubular surface// Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 9 (2009) 1408-1418. Безносюк С.А., Важенин С.В., Жуковский М.С., Жуковская Т.М.

Особенности влияния упаковок атомов на фемтосекунд- ные корпоративные трансформации металлических наночастиц // Перспективные материалы 7 (2009) 39-19. Безносюк С.А., Лерх Я.В., Жуковский М.С., Жуковская Т.М.

Компьютерное моделирование агрегации наночастиц в условиях неравновесной самосборки// Перспективные материалы 7 (2009) 4920. Beznosyuk S.A., Fomina L.V., Perezhogin A.A., Zhukovsky M.S.

Computer moleling of hydrogen and methane transport in cellular nano structures of amorphous ice// Materials Science & Engineering C Biomimetic and Supramolecular Systems 27 ( 2007) 1390-1321. Beznosyuk S.A., Stobbe I.A., Zhukovsky M.S. Quantum-sized mechanism of hydrogen polycondasation on carbon nanotubular surfaces// Materials Science & Engineering C Biomimetic and Supramolecular Systems 27 ( 2007) 1277-1222. Beznosyuk S.A., Lerh J.V., Zhukovsky M.S., Zhukovsky T.M. Computer simulation of growing fractal nanodendrities by using of the multidirected cellular automatic device// Materials Science & Engineering C Biomimetic and Supramolecular Systems 27 ( 2007) 1270-1223 Фомин А.С., Жуковский М.С., Безносюк С.А., Моделирование строения наноматериалов на основе квантово-размерных частиц мезоуровня// Известия вузов. Физика.-т.49.-№7.-2006-с. 66-24 Beznosyuk S.A., Kolesnikov A.V., Mezentsev D.A., Zhukovsky M.S., Zhukovsky T.M. Dissipative processes of information dynamics in nanosystems// Materials Science & Engineering C Biomimetic and Supramolecular Systems 19/1-2 ( 2002) 91-94.

25 Безносюк С.А., Жуковский М.С., Жуковская Т.М., Колесников А.В., Мезенцев Д.А. Топологические и энергетические особенности потенциалов позиционирования и транспорта в наносистемах// Известия вузов.Физика.-т.44.-№2.-2001-с. 5-11.

26 Безносюк С.А., Жуковская Т.М., Жуковский М.С. Влияние квантовой топологии кинематических связей на механизм наноструктурирования материалов// Известия вузов.Физика.-т.43.-№12.-2000-с. 1419.

Компьютерные эксперименты проведены с помощью программных комплексов:

1. Безносюк С.А., Жуковский М.С., Важенин С.В., Лерх Я.В.

Компьютерная нанотехнология (КомпНаноТех). //Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009613043 от 10 июня 2009 г.

2. Безносюк С.А., Жуковский М.С., Важенин С.В. Компьютерный наноинжиниринг.//Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010612461 от 07.04.2010 г.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.