НаномеханикаНИР

Nanomechanics

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Наномеханика
Результаты этапа: 1) Проведено моделирование свободномолекулярного течения газа в микроканале с рядом осциллирующих перегородок. Получено, что вероятность прохождения через канал тем или иным газом существенно зависит от безразмерного соотношения тепловой скорости молекул, расстояния между перегородками и частоты осцилляций. При этом наблюдается аналогия с эффектом резонанса, пик проводимости достигается, когда это соотношение (которое можно рассматривать как отношение некоторых характерных времен или обратных величин - частот) имеет значение порядка единицы. Данный эффект можно использоваться для разделения газов с разными молекулярными массами, т.к при одинаковой температуре они будут иметь разные тепловые скорости. Данный эффект исследован для различных безразмерных геометрических параметров канала, кол-ва перегородок, и для разных моделей рассеяния молекул на стенке канала.Разработан эффективный многомасштабный метод для моделирования течений бинарных газовых смесей при малых числах Маха в современных устройствах, сочетающих макро- и микрокомпоненты. Данный метод объединяет решение уравнения Больцмана в модели МакКормака (McCormack model) для моделирования течений в микроструктурах, и численное решение уравнений газовой динамики в приближении малых чисел Маха для повышения эффективности расчета. Данный метод был применен для моделирования работы прототипа нового газоразделительного устройства для различных бинарных смесей газов. Основным элементом функциональным элементом устройства являются мембраны, в которых за счет малого характерного размера пор под действием противоположно направленных градиентов температуры и давления возникают новые эффекты, приводящие к разделению смеси. Была проведен анализ эффективности устройства от всех безразмерных параметров его работы (геометрия, перепад температур, давлений, характерная скорость потока, число Кнудсена в мембране). Был выдвинут ряд предложений по улучшению прототипа. 2) Исследовано влияние примесей меди на скорость зарождения дислокаций в сплавах алюминия с медью. Зависимости скорости гомогенного и гетерогенного зарождения в сплавах алюминия с медью найдены из результатов молекулярно-динамического моделирования и аппроксимированы в аррениусовской форме. Исследован детальный механизм зарождения дислокационной петли в металлах с гранецентрированной кристаллической решеткой. Показано, что образованию петли частичной дислокации предшествует зарождения наноразмерного структурного перехода ГЦК-ГПУ типа, из которого, затем, формируется дислокационная петля. Показано, что имеются два различных механизма зарождения дислокаций вблизи наноразмерного медного диска в алюминии, зоны Гинье-Престона (ГП): с краев зоны ГП, расположенных вдоль плоскости (111), а также из ее центральной зоны. Показано, что эти механизмы реализуются при температурах до 400 К и выше 400 К, соответственно, и что им соответствует разная активационная энтропия в соответствующих им интервалах температур. Изучены механизмы распространения дислокационной петли в алюминии. Показано, что изначально созданная петля частичной дислокации может либо схлопнуться, либо трансформироваться в полную дислокацию, либо внутри нее образовывается двойник, который заполняет всю ее плоскость. Получены скорости движения краевого и винтового сегмента петли частичной дислокации как функции сдвигового напряжения и температуры. Построена модель, позволяющая моделировать релаксацию сдвигового напряжения в сплавах алюминия с медью, которая учитывает зарождения и распространение дислокационных петель. Методом функционала плотности показано, что образование карбонат-анионов в процессе адсорбции углекислого газа на поверхности цеолитов может приводить к снижению модулей упругости. С помощью методов переходного состояния изучены различные механизмы химической адсорбции углекислого газа на поверхности цеолитов типа X. Получено, что величина барьера активации образования гидрокарбоната из углекислого газа и воды снижается от LiX к NaX, KX и CsX. Показано, что в результате деалюминирования цеолита HY уменьшаются значения его модулей упругости. Методом функционала плотности проведены расчеты средних упругих свойств различных цеолитов и показано, что при наличие в них воды, удается получать результаты, очень близкие к экспериментальным. 3)Исследовано взаимодействие диссоциированного воздуха с поверхностью меди, которая для реальных условий экспериментов в плазматроне моделировалась закисью меди Cu2O. Моделирование поверхности кристаллического оксида меди проводилось на основе кластерного подхода. Кластер Cu2O5 использовался для моделирования процессов адсорбции/десорбции атомов кислорода и азота и ударной рекомбинации, а Cu4O8 и Cu5O8 - для процессов миграции адсорбированных атомов кислорода и азота по поверхности. Численное моделирование основных энергетических,структурных и колебательных характеристик элементарных химических реакций проводилось методами квантовой механики. Для расчетов использовался программный пакет GAUSSIAN. Уравнение Шредингера решалось методом теории функционала электронной плотности с гибридным трехпараметрическим обменным функционалом Беке, дополненный электронной корреляцией Ли, Янга и Пара (B3LYP), и использованием валентно-расщепленного базиса Попла 6-31G*¬ . Для атомов и молекул, участвующих в рассматриваемой задаче (O,N,Cu), указанное выше приближение, позволяет с хорошей точностью описать исследуемые процессы. В рамках теории переходного состояния Эйринга-Поляни были получены конкретные выражения для констант элементарных стадий гетерогенного катализа диссоциированного воздуха на поверхности оксида меди , включающие адсорбцию/десорбцию атомов кислорода и азота, поверхностную диффузию адсорбированных атомов, ударную и ассоциативную рекомбинацию с образованием молекул кислорода, азота и оксида азота. На поверхности рассматривались центры адсорбции с различными энергетическими характеристикаи. Обнаружено, что один из центров адсорбции характеризуется практически безбарьерным характером протекания реакции ударной рекомбинации. Поверхностная миграция атомов моделировалась двумя путями между тремя различными (относительно взаимного расположения) местами адсорбции. Процесс ассоциативной рекомбинации определялся суперпозицией поверхностной миграции и ударной рекомбинации. Полученные эффективные коэффициенты рекомбинации атомов кислорода и азота на поверхности оксида меди для различных парциальных давлений хорошо согласуются с экспериментальными данными. Определена вероятность гетерогенной рекомбинации атомов кислорода и азота в зависимости от парциального давления атомов азота и температуры поверхности в рабочем диапазоне 330-2000°K. Показано, что для атомов кислорода ударная рекомбинация (ИР) преобладает при Т < 1000°K , а ассоциативная (ЛХ) дает вклад в увеличение коэффициента рекомбинации при T > 850°К. Высокая степень каталитичности рассматриваемой поверхности относительно атомов кислорода при высоких и средних температурах (Т > 500°K) вызвана безбарьерным характером ударной рекомбинацией на втором центре адсорбции и является частной особенностью взаимодействия именно данной системы Cu2O+O. Показано, что ударная рекомбинация при малых значениях парциального давления атомов азота (PN=0.1 Па) дает основной вклад в вероятность гетерогенной рекомбинации при Т < 800°K, а механизм ассоциативной рекомбинации является определяющим при высоких температурах (T > 800°К). При увеличении парциального давления (PN=105 Па) значение температуры в точке смены приоритетов механизмов гетерогенной рекомбинации повышается до 1400°К. Относительный вклад ассоциативной рекомбинации в вероятность гетерогенной рекомбинации растет с уменьшением парциального давления.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Наномеханика
Результаты этапа: Проведено моделирование свободномолекулярного течения газа в микроканале с границей, движущейся по волновому закону. Получено, что вероятность прохождения через канал тем или иным газом существенно зависит от безразмерного соотношения характерной тепловой скорости молекул, и волновой скорости движения границы. Дано теоретическое объяснение данному эффекту, и показано, как он может быть использован как для разделения газов, так и для создания газовых микронасосов. Показано, что эффект разделения наблюдается лишь при определенном соотношении амплитуды волн к диаметру канала, и эффективность разделения повышается с увеличением длины канала, а также с увеличением длины волны. Также показано, что наибольшая эффективность достигается , когда нижняя и верхняя граница канала движутся в одной фазе. Проведено моделирование течения двухкомпонентной смеси в неизотермической постановке в новом газоразделительном устройстве, использующем мембрану с приложенным градиентом температуры. Определено влияние на эффективность разделения таких параметров как скорость потока, толщина и длина мембраны, диаметр канала внешней части устройства, а также перепад температур на сторонах мембраны. Была выведена модель МакКормака уравнения Больцмана для течений бинарных смесей в прямом канале под влиянием перепадов температуры, давления и концентрации компонент. Ведется работа над расширением модели на случай трех и более компонент, а также над реализацией численного метода для решения систем уравнения для модели бинарной смеси. Построена модель релаксации сдвиговых напряжений в сплавах алюминия с медью, учитывает зарождения и распространение дислокационных петель. Показано, что при релаксации сдвигового напряжения скорость пластической деформации является функцией не только времени, но и величины пластической деформации. Установлено, что зависимости плотности дислокаций от скорости пластической деформации практически не зависят от температуры, что подтверждается экспериментальными данными. Показано, что время релаксации сдвигового напряжения, не превышающего 0.85 ГПа, увеличивается с ростом температуры, а при напряжениях более 0.85 ГПа, снижается. Показано, что зарождение дислокаций является основным механизмом пластической деформации при скоростях нагружения выше 107 с-1 для сплавов алюминия с начальной плотностью дислокаций 1010-1011 м-2. Методом функционала плотности проведены расчеты упругих свойств различных цеолитов с учетом влияния воды. Показано, что вода снижается упругие характеристики цеолитов с одновалентными катионами, и, наоборот, повышает их у цеолитов с двухвалентными катионами. Рассчитанные осредненные по Фойгту-Ройссу-Хиллу объемные модули и модули Юнга цеолитов согласуются с экспериментальными данными. Методами квантовой молекулярной динамики проведены расчеты динамики углекислого газа в поре цеолита NaKA в присутствии молекул воды, карбонат анионов и дикарбонатов. Показано, что и два карбонат-аниона, и дикарбонат могут оттягивать из 8-членного окна катион К так, что молекулы СО2 проникают это окно в другую пору. При моделировании динамики углекислого газа и воды в поре цеолита NaKA было установлен механизм образования гидрокарбонат аниона при реакции H2O и CO2, который был ранее предложен на основе статических расчетов методом переходного состояния. Разработан метод определения полей напряжений в теле конечного размера, которое содержит краевые дислокации, лежащие на разные плоскостях скольжения. Искомое поле напряжений находится суперпозицией напряжений, которые создают дислокации в бесконечном пространстве, и напряжений “изображения”. Напряжения “изображения” определяются при решении краевой задачи теории упругости, в которой из исходных граничных условий вычитаются упругие поля (перемещения и напряжений) от всех дислокаций на границе тела. Исследовано взаимодействие диссоциированного воздуха с поверхностью меди, которая для реальных условий экспериментов в плазматроне моделировалась закисью меди Cu2O. Моделирование поверхности кристаллического оксида меди проводилось на основе кластерного подхода. Кластер Cu2O5 использовался для моделирования процессов адсорбции/десорбции атомов кислорода и азота и ударной рекомбинации, а Cu4O8 и Cu5O8 - для процессов миграции адсорбированных атомов кислорода и азота по поверхности. Численное моделирование основных энергетических,структурных и колебательных характеристик элементарных химических реакций проводилось методами квантовой механики. Для расчетов использовался программный пакет GAUSSIAN. Уравнение Шредингера решалось методом теории функционала электронной плотности с гибридным трехпараметрическим обменным функционалом Беке, дополненный электронной корреляцией Ли, Янга и Пара (B3LYP), и использованием валентно-расщепленного базиса Попла 6-31G*¬ . Для атомов и молекул, участвующих в рассматриваемой задаче (O,N,Cu), указанное выше приближение, позволяет с хорошей точностью описать исследуемые процессы. В рамках теории переходного состояния Эйринга-Поляни были получены конкретные выражения для констант элементарных стадий гетерогенного катализа диссоциированного воздуха на поверхности оксида меди , включающие адсорбцию/десорбцию атомов кислорода и азота, поверхностную диффузию адсорбированных атомов, ударную и ассоциативную рекомбинацию с образованием молекул кислорода, азота и оксида азота. На поверхности рассматривались центры адсорбции с различными энергетическими характеристикаи. Обнаружено, что один из центров адсорбции характеризуется практически безбарьерным характером протекания реакции ударной рекомбинации. Поверхностная миграция атомов моделировалась двумя путями между тремя различными (относительно взаимного расположения) местами адсорбции. Процесс ассоциативной рекомбинации определялся суперпозицией поверхностной миграции и ударной рекомбинации. Полученные эффективные коэффициенты рекомбинации атомов кислорода и азота на поверхности оксида меди для различных парциальных давлений хорошо согласуются с экспериментальными данными. Определена вероятность гетерогенной рекомбинации атомов кислорода и азота в зависимости от парциального давления атомов азота и температуры поверхности в рабочем диапазоне 330-2000°K. Показано, что для атомов кислорода ударная рекомбинация (ИР) преобладает при Т < 1000°K , а ассоциативная (ЛХ) дает вклад в увеличение коэффициента рекомбинации при T > 850°К. Высокая степень каталитичности рассматриваемой поверхности относительно атомов кислорода при высоких и средних температурах (Т > 500°K) вызвана безбарьерным характером ударной рекомбинацией на втором центре адсорбции и является частной особенностью взаимодействия именно данной системы Cu2O+O. Показано, что ударная рекомбинация при малых значениях парциального давления атомов азота (PN=0.1 Па) дает основной вклад в вероятность гетерогенной рекомбинации при Т < 800°K, а механизм ассоциативной рекомбинации является определяющим при высоких температурах (T > 800°К). При увеличении парциального давления (PN=105 Па) значение температуры в точке смены приоритетов механизмов гетерогенной рекомбинации повышается до 1400°К. Относительный вклад ассоциативной рекомбинации в вероятность гетерогенной рекомбинации растет с уменьшением парциального давления.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Наномеханика
Результаты этапа: 1.Разработан алгоритм построения атомных моделей нанотрубок с цилиндрической анизотропией упругих свойств различной хиральности. Реализована программная реализация алгоритма. Рассчитаны коэффициенты Пуассона нанотрубок из железа и меди, свернутых из плоскости (010) под различными углами хиральности, Показано, что с увеличением угла хиральности снижаются значения коэффициента Пуассона, и при угле хиральности выше 33 градусов он становится отрицательным. Установлено, что нанотрубки из Fe и Cu проявляют линейный эффект Пойнтинга, то есть закручиваются при растяжении. Максимальный эффект достигается при углах хиральности около 25 градусов. Реализован алгоритм метода дискретных дислокаций, который позволяет рассчитывать характеристики пластической деформации тел, имеющие нано- и микроразмеры. Показано, что барьер образования дикарбоната находится в пределах 0.3 эВ, что является достаточным для активации такой реакции при комнатной температуре. Получено, что катион K существенно выходит из плоскости 8-членного окна при координации к нему дикарбоната, карбоната или гидрокарбоната, позволяя молекулам газа проходит через это окно. Этот результат подтверждает, что именно процессы химической адсорбции имеют существенно влияние на характер разделение газовых смесей, включающий углекислый газ, в цеолитах. 2.Получены новые результаты о течении смеси газов в микроканале, стенки которого вынужденно изгибаются по волновому закону. Решена задача о медленном течении многокомпонентного газа в переходном и свободномолекулярном режимах в области со сложной границей и передами температуры на стенках. Показано, что сложная геометрия в сочетании с градиентом температуры приводит к эффекту прокачки газа и разделения смеси. Созданный в 2017 гибридный численный метод для моделирования течения бинарных смесей в устройствах с разными режимами течения (континуальный, переходный, свободномолекулярный) был развит на случай течения смесей из трех компонент. В настоящий момент с помощью данного метода ведется расчет задачи о течении смеси из трех в новом газоразделительном устройстве, представляющем собой U-образный канал с помещенной между внутренними сторонами мембраной или рядом нагретых нитей (филаментов). Показано, что при течении в такой системе обнаруживается эффект разделения смеси. Также метод событийного молекулярно-динамического моделирования был обобщен на случай наличия границ, движущихся с постоянными, но различными скоростями. 3.Проведены исследования обменных процессов между угарным газом и оксидами азота CO+N2O  СO2+N2, CO+NO2  СO2+NO, приводящим к образованию СO2. Методами квантовой механики получены переходные состояния, частоты колебаний и пути реакций, а также их ключевые энергетические характеристики. В рамках теории переходного состояния были рассчитаны константы скоростей прямых и обратных реакций. Проведено их сравнение с имеющимися в литературе экспериментальными данными. Представлены их аппроксимации в виде Аррениуса в широком диапазоне температур 300-2500 K. Проведены расчеты константы скорости диссоциации N2+N → 3N для различных уровней описания с использованием вычислительного комплекса MD Trajectory и интернет каталога теоретических моделей.Проведено сравнение результатов траекторных расчетов с теоретической моделью Мэрроуна-Тринора по уровневому фактору. Получено существенное отличие вплоть до 4 порядков при невысоких поступательных температурах для высоких колебательных уровней молекулы N2. Для описания траекторных расчетов предложена модификация модели Мэрроуна-Тринора с введением температурной зависимости параметра q(T). Проведено сравнение результатов траекторных расчетов и теоретических моделей с имеющимися экспериментальными данными для процесса диссоциации N2 + N → 3N. Показано, что наиболее адекватно экспериментальные данные описывает двухтемпературная модель Мэрроуна-Тринора.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".