ВВЕДЕНИЕ 3
1 Метод расчета 4
1.1 Теория Томаса - Ферми 4
1.2 Метод функционала плотности 8
1.3 Базисные атомные функции 13
2 Краткое описание экспериментальных данных 16
2.1 Аэрогель 16
2.2 Анализ результата экспериментов 17
3 Результаты расчетов и их анализ 19
3.1 Моделирование водяного слоя на поверхности нанопор геля 19
3.2 Расчет энергий взаимодействия молекулы воды с водяным слоем
нанопор аэрогеля 23
3.2.1 Построение потенциальных кривых для различной ориентации
налетающей молекулы воды 23
3.2.2 Моделирование изотропного потенциала взаимодействия
молекулы воды с водяным слоем 26
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 30
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 31
Из некоторых экспериментальных исследований известно, что линии в колебательно-вращательном спектре газов в нанопорах имеют большую ширину и сильное смещение относительно тех же линий в свободном газе и при тех же внешних условиях. Объясняется это тем, что длина свободного пробега молекулы газа, находящейся в пористой структуре, с размером пор порядка нескольких нанометров, будет ограничена стенками пор, т.е. данные уширения и сдвиги будут определяться взаимодействием молекулы газа со стенками поверхности, покрытыми слоем адсорбированных молекул. На данный момент, эта проблема изучена недостаточно полно и влияние размера пор и структуры слоя адсорбированных молекул на данные свойства спектров поглощения не выяснено. В частности, в литературе отсутствует информация о потенциальных кривых энергии межмолекулярного взаимодействия молекулы воды налетающей на стенки нанопор. В то же время потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия необходима для понимания физического механизма и расчета уширения спектральных линий.
В связи с этим целью данной работы является квантово-химический расчет энергии межмолекулярного взаимодействия молекулы воды с адсорбированным на кремниевой поверхности аэрогеля водяным слоем. Все расчеты произведены в программе Gaussian09 , а визуализация в
программе Chemcraft
В данной работе методом функционала плотности B3LYP/6-31+G(d) рассчитывалась энергия взаимодействия молекулы воды со стенками нанопор кремниевого аэрогеля, покрытых водяным слоем.
1. Основываясь на результаты работ был смоделирован элемент поверхности стенки нанопоры размерами 10X13 А.
2. Смоделирован комплекс “водяной слой (18 молекул) + элемент поверхности нанопоры геля” и была проведена оптимизация геометрии этого комплекса методом B3LYP/6-31+G*при условии, что координаты атомов, относящихся к поверхности геля “заморожены”. При этом рассчитанная энергия адсорбции молекул воды слоя оказалась равной 0.55 эВ.
3. Рассчитана энергия взаимодействия налетающей молекулы воды с водяным монослоем для 48 конфигураций, соответствующих различным положениям налетающей молекулы воды относительно монослоя.
4. Проведено усреднений энергии взаимодействия налетающей молекулы воды с водяным монослоем по ее вращениям и различным точкам взаимодействия с поверхностью. В результате был получен изотропный потенциал, зависящий от расстояния между налетающей молекулой воды и водным слоем на поверхности нанопоры геля и от температуры системы.
5. Показано, что с ростом температуры энергия взаимодействия молекулы воды и водного монослоя уменьшается, и при больших температурах потенциальная кривая приобретает отталкивательный характер. Данный вывод может помочь в предсказании результатов эксперимента по изучению уширения полос спектра поглощения паров воды, находящихся в нанопоре аэрогеля.
