Тип работы:
 Предмет:
 Язык работы:


QM/MD-моделирование процессов самосборки бор-азотных кластеров в газовой фазе

Работа №139339

Тип работы

Бакалаврская работа

Предмет

химия

Объем работы46
Год сдачи2018
Стоимость4225 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
43
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


Введение 3
1. Обзор литературы 4
1.1 Прекурсоры для бор-азотных кластеров 4
1.2. Замкнутые бор-азотные кластеры 5
1.3. Двумерные бор-азотные листы 10
1.4. Теоретические подходы к моделированию процессов образования бор-азотных кластеров 13
1.4.a. Классическая молекулярная динамика 13
1.4.b. DFTB-MD методы моделирования 15
2. Расчетная часть 19
2.1. Выбор методики расчета 19
2.2. Методология NSCC DFTB-MD расчета 19
2.3. Обсуждение результатов. Модельные молекулы для использования в QM/MD моделировании процессов самосборки. 21
2.3.a. Боразин в качестве модельной молекулы в QM/MD расчете 21
2.3.b. HBNH в качестве модельной молекулы в QM/MD расчете 24
2.3.c. BN в качестве модельной молекулы в QM/MD расчетах 33
3. Заключение 41
Выводы 42
Благодарности 43
Список литературы 44


Высокоструктурированные и нано- материалы занимают особое место в современной химии и материаловедении. Показательно, что углеродные наноматериалы были отмечены двумя Нобелевскими премиями: по химии за 1996 год (открытие фуллеренов Р. Керлом, Н. Крото, Р. Смолли [1]) и по физике за 2010 год (новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена А. Геймом и К. Новоселовым [2]). Изоэлектронность связей B-N и С-С отчасти послужила причиной тому, что бор-азотные материалы также стали привлекать больше внимания. Несмотря на большое количество синтетических и расчетных работ, посвященных нитриду бора и материалам на его основе[3-7], механизм образования бор-азотных кластеров требует дальнейшего изучения. Неравновесные условия, в которых протекает синтез BN-материалов, затрудняют экспериментальные исследования механизмов реакций синтеза бор-азотных кластеров, поэтому для моделирования процессов их образования применяют методы квантовой и вычислительной химии.
Настоящая работа посвящена компьютерному моделированию процессов образования бор-азотных кластеров. Целью работы является установление влияния типа молекул-прекурсоров на структуру образующихся в процессе моделирования кластеров. Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:
• на основании обзора литературы выбрать оптимальный метод расчета для моделирования процессов образования бор-азотных кластеров,
• выбрать молекулы-прекурсоры для проведения гибридных QM/MD расчетов,
• провести гибридные QM/MD расчеты, моделирующие процессы образования бор-азотных кластеров,
• на основании полученных данных выявить особенности механизмов реакций образования бор-азотных кластеров и структурные особенности этих кластеров.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Курсовые Статьи Диплом Рязань

На основании DFTB-MD расчетов был сделан вывод о том, что молекула боразина является неподходящей модельной молекулой для моделирования процессов образования бор-азотных кластеров по причине высокой кинетической устойчивости, определяемой наличием шести атомов водорода, являющихся ограничителями, и вследствие высокой вычислительной стоимости расчетов с использованием более сорока модельных молекул.
Мономерная по отношению к боразину молекула HBNH при проведении DFTB-MD расчетов участвует в процессах ассоциации. Согласно проведенным расчетам, выделения молекулярного азота при протекании реакций ассоциации молекул не происходит. Образование связейB-B при олигомеризации молекул HBNH также не происходит. Согласно анализу функций радиального распределения, связи B-B образуются в процессах конденсации цепей и перестройки бор-азотных циклов.QM/MD расчет с использованием в качестве модельной молекулы HBNHприводит к образованию конденсированных полициклических систем, рост которых замедлен за счет наличия атомов водорода в качестве ограничителей роста кластера.
Молекулы BN в ходе DFTB-MD моделирования процессов образования бор-азотных кластеров активно вступают в реакции ассоциации. В ходе моделирования были обнаружены «octopus»-кластеры, схожие с описанными ранее углеродными кластерами. В отличие от углеродных«octopus» кластеров, цепи-гарпуныбор-азотных кластеров не склонны отщепляться от «octopus»-кластера. Это связано с меньшим по сравнению с углеродными аналогами выигрышем по энергии при вовлечении атомов, удерживавших бор-азотные цепи, в пространственную ароматическую систему бор-азотного кластера. Такие цепи, согласно QM/MD расчетам, могут выступать в роли гарпунов, связывающих два бор-азотных кластера, находящихся в окрестности 10-15 Å друг относительно друга. Согласно QM/MD расчетам, в области пространства между двумя кластерами, объединенными бор-азотной цепью возможен рост деформированного бор-азотного листа.
Таким образом, природа молекулы прекурсора существенно влияет на структуру кластера, образующегося в ходе моделирования:
- при использовании в качестве модельной молекулы боразина при времени моделирования 4 пс и температуре 2000-4000К процессов ассоциации не происходит;
- при использовании в качестве модельной молекулы HBNH за время моделирования 144 пс при температуре 2000К происходит образование конденсированных полициклических бор-азотных цепей;
- в ходе QM/MD расчетов с использованием молекул BN за времена моделирования 36 60 пс при температуре 2000К образуются бор-азотные «octopus»-кластеры, а также фрагменты деформированного бор-азотного листа на их основе.



1. Kroto, H. W., Heath, J. R., O’Brien, S. C., Curl, R. F., Smalley, R. E., C60: buckminsterfullerene, Nature318, 162–163 (1985).
2. Geim, A. K., Nobel Lecture: Random walk to graphene. Rev. Mod. Phys.83, 851–862 (2011).
3. Golberg, D., Bando, Y., Tang, C., Zhi, C., Adv. Mater.19, 2413-2432 (2007).
4. Stephan, O., Bando1, Y., Loiseau, A., Willaime, F., Shramchenko, N., Tamiyal, T., Sato, T., Formation of small single-layer and nested BN cages under electron irradiation of nanotubes and bulk material, Applied physics A,111, 107 111 (1998).
5. Oku, T., Formation and structure of B24N24 clusters, Chem. Phys. Lett., 380, 620–623 (2003).
6. Oku, T., Narita, I., Nishiwaki, A., Formation and structures of B36N36 and Y@B36N36 clusters studied by high-resolution electron microscopy and mass spectrometry, J. Phys. Chem. solids, 65, 369–372 (2004)
7. Bernard, S., Salles, V., Li, J., Brioude, A., Bechelany, M., Demirci, U. B., Miele, P., High-yield synthesis of hollow boron nitride nano-polyhedrons, J. Mater. Chem,.21, 8694-8699 (2011).
8. Yin, J., Li, J., Hang, Y., Yu, J., Tai, G.,, Li, X., Zhang, Z., Guo, W., Boron Nitride Nanostructures: Fabrication, Functionalization and Applications, Small, 12, 2942–2968 (2016).
9. Britnell, L., Gorbachev, R. V., Jalil, R., Belle, B. D., Schedin, F., Mishchenko, A., Georgiou, T., Katsnelson, M. I., Eaves, L., Morozov, S. V., Peres, N. M. R., Leist, J., Geim, A. K., Novoselov, K. S., Ponomarenko, L. A., Field-Effect Tunneling Transistor Based on Vertical Graphene Heterostructures, Science, 335, 947-950 (2012).
10. Salles, V., Bernard, S., Li, J., Brioude, A., Chehaidi, S., Foucaud, S., Miele, P., Design of highly dense boron nitride by the combination of spray-pyrolysis of borazine and additive-free sintering of derived ultrafine powders, J. Chem. Mater.,21, 2920–2929 (2009).
11. Gleize, P., Schouler, M. C., Gadelle, P., Caillet, M., J. Mater. Sci., Growth of tubular boron nitride filaments, 29, 1575-1580 (1994).
12. Pokropivny, V. V., Shorokod, V. V., Oleinik, G. S., Kurdyumov, A. V., Bartnitskaya, T. S., Pokropivny, A. V., Sisonyuk, A. G., Sheichenko, D. M., Boron nitride analogs of fullerenes (the fulborenes), nanotubes, and fullerites (the fulborenites), J. Solid State. Chem., 154, 214–222 (2000).
13. Fowler, P.W., Manolopoulos, D.E., Magic numbers and stable structures for fullerenes, fullerides and fullerenium ions, Nature, 355, 428–430 (1992).
14. Seifert, G., Fowler, R. W., Mitchell, D., Porezag, D., Frauenheim, T., Boron nitrogen analogues of the fullerenes: electronic and structural properties., Chem. Phys. Lett., 268, 352-358 (1997).
15. San, M. L., Slanina, Z., Lee, S. L., Square/hexagon route towards the boron-nitrogen clusters, Chem. Phys. Lett., 233, 279–283 (1995).
16. Jensen, F., Toftlund, H., Structure and stability of C24 and B12N12 isomers., Chem Phys Lett., 201, 89–96 (1993).
17. Nagashima, A., Tejima, N., Gamou, Y., Kawai, T., Oshima C.,Electronic Structure of Monolayer Hexagonal Boron Nitride Physisorbed on Metal Surfaces, Phys. Rev. Lett., 75, 3918-3921 (1995).
18. Nagashima, A., Itoh, H., Ichinokawa, T., Oshima, C., Otani, S., Change in the electronic states of graphite overlayers depending on thickness, Phys Rev B Condens Matter., 50, 4756-4763 (1994).
19. Enyashin, A. N., Ivanovskii, A. L., Graphene-like BN allotropes: Structural and electronic properties from DFTB calculations, Chem. Phys. Lett.,509, 143–147 (2011).
20. Ding, Y., Wang, Y., Shi, S., Tang, W., Electronic structures of porous graphene, BN, and BC2N sheets with one- and two-hydrogen passivations from first principles, J. Phys. Chem. C, 115, 5334–5343 (2011).
21. Hospital, A., Goni, J. R., Orozco, M., Gelpi, J. L., Molecular dynamics simulations: advances and applications, Adv Appl Bioinform Chem., 8, 37-47 (2015).
22. Furse, K. E., Corcelli, S. A., Molecular Dynamics Simulations of DNA Solvation Dynamics, J. Phys. Chem. Lett., 12, 1813–1820 (2010).
23. Noha, S. M., Schmidhammer, H., Spetea, M., Molecular Docking, Molecular Dynamics, and Structure-Activity Relationship Explorations of 14-Oxygenated N-Methylmorphinan-6-ones as Potent μ-Opioid Receptor Agonists, ACS Chem. Neurosci., 8, 1327–1337 (2017).
24. Van Duin, A. C. T., Dasgupta, S., Lorant, F., Goddard, W. A., Iii, W. A. G., ReaxFF : A Reactive Force Field for Hydrocarbons, J. Phys. Chem.105, 9396–9409 (2001).
25. Leven, I., Azuri, I., Kronik, L., Hod, O., Inter-layer potential for hexagonal boron nitride, J. Chem. Phys.140, 1–23 (2014).
26. Liu, S., Van Duin, A. C. T., Van Duin, D. M., Liu, B., Edgar, J. H., Atomistic Insights into Nucleation and Formation of Hexagonal Boron Nitride on Nickel from First-Principles-Based Reactive Molecular Dynamics Simulations, ACS Nano,11, 3585–3596 (2017).
27. Han, L., Krstic, P. A path for synthesis of boron-nitride nanostructures in volume of arc plasma, Nanotechnology,28, 07LT01 (2017).
28. Porezag, D., Frauenheim, T., Köhler, T., Seifert, G., Kaschner, R., Construction of tight-binding-like potentials on the basis of density functional theory: Application to carbon, Phys. Rev. B,51, 12947 12957 (1995).
29. Ohta, Y., Possible mechanism of BN fullerene formation from a boron cluster: Density-functional tight-binding molecular dynamics simulations, J. Comput Chem.,37, 886–895 (2016).
30. Salles, V., Bernard, S., Review on the Preparation of Borazine-derived Boron Nitride Nanoparticles and Nanopolyhedrons by Spray-pyrolysis and Annealing Process, Nanomater. Nanotechnol, 6,1–13 (2016).
31. Irle, S., Zheng, G., Wang, Z., Morokuma, K., The C60 formation puzzle ‘solved’: QM/MD simulations reveal the shrinking hot giant road of the dynamic fullerene self-assembly mechanism, J. Phys. Chem. ,B,110, 14531 14545 (2006).
32. Пригожин И., Кондепуди Д., Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур, Мир, 314 (2002).
33. Gordon, M., Pople, J. A., Frisch, M. J., MP2 energy evaluation by direct methods, Chemical Physics Letters. 153 , 503–506 (1988).
34. Krishnan, R., Binkley, J. S., Seeger R., Pople, J. A., Self‐consistent molecular orbital methods. XX. A basis set for correlated wave functions,J. Chem. Phys., 72, 650-654, (1980).
35. Hansen, J.P., McDonald, I. R., Theory of Simple Liquids (3rd ed.), Academic Pres, 94-95 (2005).
36. Kirkwood, J.K., Boggs, E.M.,The Radial Distribution Function in Liquids, J. Chem. Phys. 10, 394, (1942).
37. Zhang, F., Maksyutenko, P., Kaiser, R. I., Mebel, A. M., Gregusova, A., Perera, S. A., Bartlett, R. J., On the directed gas phase synthesis of the imidoborane molecule (HNBH) - An isoelectronic molecule of acetylene (HCCH), J. Phys. Chem. A,114, 12148–12154 (2010).
38. Martínez, L., Andrade R., Birgin E. G., Martínez, J. M., Packmol: A package for building initial configurations for molecular dynamics simulations, J. Comput. Chem., 30, 2157-2164 (2009).
39. Irle, S., Zheng, G., Wang, Z., Morokuma, K., Theory–Experiment Relationship of the ‘Shrinking Hot Giant’ Road of Dynamic Fullerene Self-Assembly in Hot Carbon Vapor, Nano,2, 21–30 (2007).
40. Santos, J. C., Tiznado, W., Fuentealba, P., Sigma–pi separation of the electron localization function and aromaticity, J. Chem. Phys., 120, 1670–1673 (2004).

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.



Заказать работу

Заявка на оценку стоимости

Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы

Каталог работ (152639)

Новости

06.01.2018 Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров

Помощь в выполнении учебных и научных работ на заказ ОФОРМИТЬ ЗАКАЗ

дальше

»» Все новости

Заказать работу

Заявка на оценку стоимости

Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы

Заказать диплом

Приглашаем авторов студенчесчких работ


©2024 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.