WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 24 | 25 || 27 | 28 |   ...   | 43 |

Важной задачей является определение критического размера наночастиц, при котором их механические характеристики будут совпадать со справочными значениями макроматериала. На рис. 5, а-1 сплошной линией представлена зависимость перемещений от расстояния вдоль оси нагружения до центра эквивалентного упругого элемента для справочного значения модуля упругости цезия. На этом же графике (см. рис. 5, a-2) приведена зависимость радиальных перемещений атомов от расстояния до центра масс наночастицы r для постоянного коэффициента Пуассона.

Видно, что указанные зависимости не совпадают. Поэтому, изменяя модуль упругости, добиваемся слияния данных кривых (см. рис. 5, б), критерием чего является минимальная среднеквадратичная ошибка, которая имеет явно выраженный минимум (рис. 6). Рассчитываем модуль объемного сжатия наночастиц цезия из системы уравнений (1).

Рис. 6. Зависимость среднеквадратичной ошибки W от модуля Юнга E упругого эквивалентного элемента; для наночастицы цезия (атомов) Изменение безразмерного эффективного объемного модуля включений в зависимости от приведенного диаметра наночастиц, соответствующее формуле (2), приведено на рис. 7. Треугольными маркерами изображены данные серии вычислительных экспериментов, по результатам которых впоследствии была построена аппроксимирующая линия тренда.

Математическое выражение аппроксимационной кривой позволило определить неизвестные коэффициенты A = 0, 882 и B = -1, 083 из Моделирование формирования наночастиц металлов уравнения (2). Индекс эффективного объемного модуля указывает величину коэффициента Пуассона, соответствующую справочному значению цезия.

Рис. 7. Изменение безразмерного эффективного объемного модуля включений в зависимости от безразмерного диаметра включений Математическая формулировка кривой безразмерного объемного модуля включений является основой для вычисления деформационных характеристик композиционных материалов, содержащих наночастицы.

Объемный модуль и модуль сдвига композита зависят от размера содержащихся в нем включений. Для композиционного материала, состоящего из полистироловой матрицы и нановключений цезия, зависимость безразмерного модуля от приведенного диаметра представлена на рис. 8.

Анализ графика показывает, что деформационные характеристики в значительной степени зависят от концентрационной доли наночастиц c в формируемом композите. Малые нанообразования (d < 0, 3) повышают объемный модуль нанокомпозита, большие наночастицы (d > 0, 3) приводят к его разупрочнению.

Заключение Предложена методика моделирования структурных, количественных и деформационных свойств наночастиц и композиционных материалов на их основе. Модель позволяет исследовать динамические характеристики нанообъектов на протяжении всего цикла их использования, начиная от процессов формирования наночастиц и заканчивая их влиянием на механические параметры композита.

Получены расчетные зависимости модуля упругости, объемного модуля сжатия наночастиц цезия от их диаметра. Вычислен критический диаметр 250 А. A. Вахрушев, А. Ю. Федотов, A. A. Шушков, A. B. Шушков Рис. 8. Зависимость безразмерного объемного модуля нанокомпозита от приведенного размера наночастиц, содержащихся в нем наночастиц цезия (21,5 нм). При увеличении размеров нанообразований больше критического диаметра прочностные характеристики наночастиц совпадают со справочными значениями макроматериалов.

Получен вид зависимости безразмерного эффективного объемного модуля наночастиц цезия и на основании этого приведена ее математическая формулировка. Формализация изменения эффективного объемного модуля и модуля сдвига нановключений в зависимости от их размера служит важной частью для определения деформационных свойств нанокомпозиционных материалов.

На примере матрицы из полистирола и наночастиц цезия показано, что введение нанообразований в композит может приводить как к упрочнению формируемого материала (при малых размерах наноструктур), так и ухудшению прочностных характеристик (в случае, если наночастицы обладают значительным размером).

Список литературы 1. Qing-Qing Ni, Yaqin Fu, Masaharu Iwamoto Evaluation of Elastic Modulus of Nano Particles in PMMA/Silica Nanocomposites // Journal of the Society of Materials Science. 2004. V.53, №9. P.956–961.

2. Dingreville R., J. Qu, Cherkaoui M. Surface free energy and its effect on the elastic behavior of nano-sized particles, wires and films // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2004. V.53, №8. P.1827–1854.

3. Duan H.L., Wang J., Huang Z.P. Size-dependent effective elastic constants of solids containing nano-inhomogeneities with interface stress // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2005. V.53, №7. P.1574–1596.

Моделирование формирования наночастиц металлов 4. Mesostructured Manganese Oxide-Gold Nanoparticle Composites for Extensive Air Purification / K. Anil [et al.] // Angewandte Chemie International Edition. Issue 16.

2007. V.46, №16. P.2891–2894.

5. Барыкинский Г.М., Тузиков Ф.В. Физико-химические свойства фотогидрозолей серебра и других препаратов на его основе по данным: спектрофотометрии, спектроскопии УПКР, рентгеноструктурного анализа и других методов // Серебро в медицине, биологии и технике. 1996. С.136–157.

6. Взаимодействие мощных импульсов лазерного излучения со стеклами, содержащими имплантированные металлические наночастицы / А.Л. Степанов [и др.] // Физика твердого тела. 2001. Т.43. Вып.11. С.2100–2106.

7. Koopman M., Gonadec G., Carlisle K. Compression testing of hollow microspheres (microballoons) to obtain mechanical properties // Scripta Materialia. 2005. V. 50.

P.593–596.

8. Гафнер Ю.А., Гафнер С.Л. Наночастицы Ni из газовой среды: возникновение и структура // Физика металлов и металловедение. 2005. Т.100, №1. С.71–76.

9. Кошкин В.М., Слезов В.В. Легирование наночастиц // Письма в ЖТФ. 2004.

Т.30. Вып.9. С.38–43.

10. Individualized Silica Nanohelices and Nanotubes: Tuning Inorganic Nanostructures Using Lipidic Self-Assemblies / Thomas Delclos [et al.] // Nano Lett. 2008. V. 8(7).

Р.1929–1935.

11. Nanostructured arrays of semiconducting octahedral molecular sieves by pulsed-laser deposition / E. Espinal Anais [et al.] // Nature Materials. 2010. V.9, №1. P.54–59.

12. Electrochemical route to the preparation of highly dispersed composites of ZnO/carbon nanotubes with significantly enhanced electrochemiluminescence from ZnO / Ruixue Zhang [et al.] // J. Mater. Chem. 2008. V.18. P.4964–4970.

13. Khairul Sozana Nor Kamarudin and Mawarni Fazliana Mohamad Synthesis of Gold (Au) Nanoparticles for Mercury Adsorption // American Journal of Applied Sciences.

2010. V.7, №6. P.835–839.

14. Сhalla S., Kumar R. Metallic Nanomaterial. WILEY-VCH, 2009. 571 p.

15. A Cellular Trojan Horse for Delivery of Therapeutic Nanoparticles into Tumors / Choi Mi-Ran [et al.] // Nano Lett. 2007. V.7. P.3759–3765.

16. Белов В.Г., Иванов В.А., Коробков В.А. Устройство для получения мелкодисперсных металлических порошков // Пат. 2208500 РФ. Опубл. 20.07.03.

17. Рит М. Наноконструирование в науке и технике. Введение в мир нанорасчета.

Москва-Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2005. 160 с.

18. Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике.

М.: Наука, 1990. 176 с.

19. Вахрушев А.В., Федотов А.Ю. Исследование вероятностных законов распределения структурных характеристик наночастиц, моделируемых методом молекулярной динамики // Вычислительная механика сплошных сред.

2009. Т.2, №2. С.14–21.

20. Вахрушев А.В., Федотов А.Ю. Исследование процессов формирования композиционных наночастиц из газовой фазы методом математического моделирования // Химическая физика и мезоскопия. 2007. Т.9, №4. С.333–347.

252 А. A. Вахрушев, А. Ю. Федотов, A. A. Шушков, A. B. Шушков 21. Вахрушев А.В., Шушков А.А. Физико-упругие свойства нанокластеров металлов // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ-2007): сб. научн. трудов. 2007. С.33–35.

22. Вахрушев А.В., Шушков А.А. Численный анализ влияния размера наночастиц на модуль упругости Юнга // Деп. в ВИНИТИ 27.12.2005. №1752-В2005.

23. Materials become insensitive to flaws at nanoscale: Lessons from nature / Huajian Gao [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2003. V.100, №10.

Р.5597–5600.

24. Carlton C.E., Ferreira P.J. What is behind the inverse Hall–Petch effect in nanocrystalline materials // Acta Materialia. 2007. V.55. P.3749–3756.

25. Кристенсен Р. Введение в механику композитов. М.: Мир, 1982. 334 с.

Вахрушев Александр Александрович (postmaster@ntm.udm.ru), к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, отдел механики и физико-химии гетерогенных сред, Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск.

Федотов Алексей Юрьевич (alezfed@gmail.com), к.ф.-м.н., научный сотрудник, отдел механики и физико-химии гетерогенных сред, Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск.

Шушков Андрей Александрович (ligrim@mail.ru), к.т.н., научный сотрудник, отдел механики и физико-химии гетерогенных сред, Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск.

Шушков Александр Валерьевич (shushkov@pochta.ru), к.т.н., старший научный сотрудник, отдел механики и физико-химии гетерогенных сред, Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск.

The simulation of formation of metal nanoparticles, study of mechanical and structural parameters of nanoparticles and nanocomposites A. A. Vakhrouchev, A. Yu. Fedotov, A. A. Shushkov, A. V. Shushkov Abstract. The mathematical model of condensation processes of metal nanoparticles from a gas phase is proposed. The determination method of mechanical, numerical and structural nanoparticles properties is submitted.

Calculation results of metals nanoparticles formation at vacuum evaporation and condensation are resulted. The simulation results of forming nanoobjects having different structure is examined. Dependences of structural behavior for nanoobjects and composites on basis of theirs are obtained.

Keywords: nanoparticles, simulation, molecular dynamics, strength properties, nanocomposites.

Моделирование формирования наночастиц металлов Vakhrouchev Alexander (postmaster@ntm.udm.ru), candidate of physical and mathematical sciences, senior staff scientist, department of mechanics and physics and chemistry of heterogeneous circles, Institute of Applied Mechanics UB RAS, Izhevsk.

Fedotov Aleksey (alezfed@gmail.com), candidate of physical and mathematical sciences, research assistant, department of mechanics and physics and chemistry of heterogeneous circles, Institute of Applied Mechanics UB RAS, Izhevsk.

Shushkov Andrey (ligrim@mail.ru), candidate of technical sciences, research assistant, department of mechanics and physics and chemistry of heterogeneous circles, Institute of Applied Mechanics UB RAS, Izhevsk.

Shushkov Alexander (shushkov@pochta.ru), candidate of technical sciences, senior staff scientist, department of mechanics and physics and chemistry of heterogeneous circles, Institute of Applied Mechanics UB RAS, Izhevsk.

Поступила 21.10.Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2011. Вып. 2. С. 254–Физика УДК 51-Программный комплекс по расчету статики и динамики комбинированного нанодвигателя на основе кинезина А. B. Вахрушев, И. А. Шестаков, A. Ю. Федотов, A. А. Шушков Аннотация. Разработана математическая модель динамики комбинированного двигателя и биологического нанодвигателя кинезина, на основе данной модели удалось решить задачи нахождения основных энергетических параметров комбинированных нанодвигателей, нахождения коэффициента демпфирования биологического нанодвигателя кинезина и определения нагрузки, соответствующей потере устойчивости статора комбинированного нанодвигателя.

Ключевые слова: комбинированный нанодвигатель, кинезин, микротрубочка.

Нанодвигатели окажут значительное влияние на создание принципиально новых наномашин и наномеханизмов, а также и микромашин. Это связано с тем, что нанодвигатели могут быть приводом различных видов наномашин. Перечислим их: переключатели, насосы, инжекторы, конвейеры, генераторы электрического тока, транспортные машины в жидкости, транспортные машины на поверхности твердого тела [17]. Комбинированный нанодвигатель представляет собой ротор, статор и биологическую пару кинезин-микротрубочка, причем кинезины связаны со статором, а микротрубочка закреплена на роторе (рис. 1). Устройство и работа комбинированного нанодвигателя и биологического нанодвигателя кинезина представлены в работах [2, 3]. По данной работе получено три патента [4, 10, 11]. Для изучения динамики разработанного комбинированного нанодвигателя используется математическое моделирование.

Главные задачи в технологии изготовления – закрепление биологических нанодвигателей в комбинированных нанодвигателях, интеграция комбинированных нанодвигателей в наномашины и наноприборы.

Программный комплекс по расчету статики и динамики нанодвигателя Рис. 1. Комбинированный нанодвигатель на кинезинах Программный комплекс Combined Nano Engine и математическая модель статики и динамики комбинированного нанодвигателя Сформулирована математическая модель комбинированного нанодвигателя. При расчете статики и динамики разработан программный комплекс Combined Nano Engine.

Программный комплекс Combined Nano Engine, реализующий математическую модель задачи, представлен на рис. 2 и состоит из блока подготовки, вычислительного модуля массово-габаритных и энергетических параметров, вычислительного модуля перемещений и деформаций метод молекулярной динамики, блока согласования.

256 А. B. Вахрушев, И. А. Шестаков, A. Ю. Федотов, A. А. Шушков Рис. 2. Структура программного комплекса Combined Nano Engine Блок подготовки. Подготовка начальных данных необходима как для дальнейшего расчета энергетических параметров, так и для расчета на деформации и устойчивость. Блок подготовки включает в себя определение массово-габаритных параметров комбинированного нанодвигателя, нахождение параметров атомов и их свойств в системе углеродной нанотрубки. На основе состава атомов определяется структура молекул системы: количество атомов в углеродной нанотрубке, типы связи, значение углов и двугранных углов.

Вычислительный модуль энергетических параметров и динамики нанодвигателя. Для реализации данного модуля используется программа MathCAD для расчета энергетических параметров и визуализации следующих графиков: мощность; удельная мощность; расход топлива по массе, числу молекул и объему АТФ. Динамика кинезина рассматривается с учетом демпфирующей силы, вследствие которой шаг равен 8,3 нм [14].

Программный комплекс по расчету статики и динамики нанодвигателя В первом приближении система, описывающая силу кинезина в зависимости от времени выглядит следующим образом:

Pages:     | 1 |   ...   | 24 | 25 || 27 | 28 |   ...   | 43 |



© 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.