Search

Представлены результаты компьютерного моделирования алмазоподобных наночастиц, состоящих из кремния и германия, а также слоевых полупроводников различной нуклеарности с чередующимися слоями. Было построено 16 моделей наночастиц размером 3-3-3 элементарные ячейки и размером 5-5-5 элементарных ячеек с различным чередованием слоев кремния и германия. Методом нелокального функционала плотности были получены равновесные параметры связей пар атомов, входящих в кристаллическую структуру исследуемых НЭМС с различным морфологическим строением. Методами молекулярной механики была изучена зависимость энергии исследуемых наночастиц от размера, состава, а также последовательности чередования слоев кремния и германия. Показано незначительное изменение межатомного расстояния в полупроводниковых системах с алмазоподобной структурой и в НЭМС состоянии. Системы, имеющие в своем составе только атомы кремния, оказались энергетически более устойчивы, чем системы, состоящие только из атомов германия. Внедрение атомов германия в кремниевые системы понижает термодинамическую стабильность частицы, в то время как внедрение атомов кремния в германиевые наночастицы повышает их устойчивость. Появление в наночастице связей типа кремний — германий стабилизирует частицы из германия и дестабилизирует частицы из кремния.

В настоящей работе изучалось влияние молекулы воды и иона цинка на каталитическую активность медно-цинковой супероксиддисмутазы методом компьютерного моделирования на уровне теории функционала плотности с использованием функционала PBE и базисных наборов def2-SVPD и def2-TZVPD. Оценку проводили по двум направлениям. Первое — сравнение основных характеристик переноса электрона по Маркусу в присутствии и отсутствии молекулы воды в активном центре. Второе — топологический анализ электронной плотности лигандного окружения иона меди по Бейдеру. Установлено, что присутствие молекулы воды и иона цинка рядом с ионом меди оказывает малое влияния на первичную стадию катализа — процесс восстановления иона меди. Однако их наличие существенно влияет на протекание второй стадии каталитического цикла при окислении меди. Молекула воды участвует в качестве переносчика протонов. Она может присутствовать рядом с ионом меди во время первичного переноса электрона. Молекула воды покидает первую координационную сферу меди после первичного переноса электрона, иначе она образует прочную связь с атомом азота, прерывая перенос электрона согласно топологическому анализу. Присутствие молекулы воды вблизи меди существенно ухудшает протекание вторичного переноса электрона, и в целом каталитический цикл блокируется.

Проведено компьютерное моделирование на уровне теории функционала плотности с применением функционала PBE и базисов группы def2-. Рассчитаны характеристики реакции переноса электрона по теории Маркуса с биорадикалов O2-, NO и NO- на активный центр цитохрома с. Получены значения энергии активации ΔG≠, матричного элемента перекрывания донорной и акцепторной молекулярных орбиталей HDA, частотный фактор переноса ket и константа скорости переноса второго порядка k. Численные значения k для трех радикалов позволяют сделать заключение об эффективности их нейтрализации путем взаимодействия с активным центром фермента. Для супероксид-иона O2- k=6,32·105 на расстоянии 5,02 Å, для монооксида азота NO k=6,96·106 на расстоянии 5,60 Å и оксоазанид-иона NO- k=4,45· 101 на расстояниях 5,60 Å и 4,45 Å. Расстояния переноса получены из кривых потенциальной энергии при сближении радикала с ионом железа. Полученные значения позволяют сделать вывод о том, что наиболее эффективно ион железа в гемовом белковом окружении способен дезактивировать супероксид-ион и монооксид азота.

Рассматривается текущий момент развития физических основ субатомных квантовых технологий с использованием сверхкоротких аттосекундных импульсов энергии, лежащих в диапазоне электромагнитных волн жесткого ультрафиолета и мягкого рентгена. Они необходимы для емкого и обратимого накопления энергии без разрушения материалов аккумуляторами наноэлектромеханической системы (НЭМС) супраатомного масштаба с линейными размерами от 0.1 нм до 10 нм и субатомной толщиной граничных интерфейсов до 0.1 нм. В статье проведено сопоставление физических основ используемых в настоящее время фемтосекундных квантовых технологий и разрабатываемых аттосекундных квантовых технологий. Последние являются нацеленными на достижение более высоких показателей в емкости, управляемости и эффективности квантовых накопителей энергии в материалах за счет гибридного характера квантовых электронных возбуждений. В отличие от фемтосекундных, аттосекундные квантовые накопители энергии должны использовать на два-три порядка более жесткие и короткие импульсы электромагнитного ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Реакции вещества на импульсы оптического диапазона излучения описываются в квантовой фемтохимии. В случае аттосекундных импульсов проявляются нелинейные эффекты накопления импульсов энергии высоковозбужденными квантово-запутанными субатомными парами электронов. Голдстоуновские конденсаты бозонных пар электронов формируют интерфейсные оболочки компактных полостей квантово-размерного резонатора НЭМС. Гибридные электронные возбуждения НЭМС — специфика нелинейного квантового субатомного отклика материалов на воздействие аттосекундных импульсов жесткого ультрафиолета и мягкого рентгена. Их аттосекундная физика — основа разработки новых субатомных аттосекундных квантовых технологий аккумулирования энергии в материалах.

Рассматривается компьютерное моделирование отклика многокомпонентных полупроводниковых наноэлектромеханических систем арсенидов на аттосекундный импульс излучения при криогенной (T1=77 K) и стандартной температуре (Т2=298К). Построены кинетические кривые релаксационных процессов, происходящих в тройных полупроводниковых нанослоях: CdSiAs2, CdGeAs2, ZnSiAs2, ZnGeAs2 и нанослоях переменного состава: CdSi1-xGex As2, ZnSi1-xGexAs2, Cd1-xZnxSiAs2 и Cd1-xZnxGeAs2. Показаны различия в средней энергии релаксации нанослоев в зависимости от температуры, а также амплитуды колебания значений энергии и времени выхода на плато. Показано сравнение с релаксационными процессами, проходящими при абсолютном нуле температур. Рассмотрены радиальные функции распределения атомов в системе до и после релаксационных процессов, вызванных импульсным воздействием на систему атомов в полупроводниковом слое. Описана модификация пиков координационных сфер распределения атомов в зависимости от состава нанослоя. Выявлены закономерности релаксационного изменения координационных сфер первого порядка и разрушения координационных сфер второго и третьего порядка при криогенной и стандартной температурах.

Проведено компьютерное моделирование и рассчитаны молекулярные параметры кислорода и супероксид-иона с целью выбора наиболее оптимального базисного набора функций для дальнейших квантово-механических расчетов с участием активных форм кислорода. Для каждой из частиц получены равновесные длины связи и усредненные поляризуемости в континуальной диэлектрической водной среде в рамках Conductor-like Polarizable Continuum Model (CPCM) и Solvation Model based on Density (SMD). Были использованы 16 базисных наборов, представленных в программном пакете Orca. Проведено сравнение полученных числовых значений с экспериментальными данными. Главным критерием для отбора послужила энергия сродства молекулы кислорода к электрону. Также учитывалось суммарное время компьютерного расчета для каждого базиса. На основе этого выбраны наиболее оптимальные базисные наборы. Базисы 6-31+G(d), 6-311+G, def2-TZVPD и aug-cc-pVDZ рекомендованы для расчетов молекулярных систем, в которых присутствует молекулярный кислород и продукт его восстановления, супер-оксидный радикал.

В статье представлены результаты исследования устойчивости спин-поляризованных состояний малых магнитных кластеров 3d-переходных металлов подгруппы железа методом гибридного функционала плотности. Компьютерное моделирование геометрических структур кластеров, их полная вариационная оптимизация по энергии связи выполнены при различных значениях спиновой мультиплетности электронных состояний. Вычислены энергии связи, длины связи и частоты нулевых колебаний атомов в малых кластерах с нуклеарностью n = 2, 3, 4, 5, 6 в зависимости от металла (Fe, Co, Ni) и спиновой мультиплетности М в нуль-зарядовом состоянии. Все расчеты проведены с использованием алгоритмов пакета ORCA методом гибридного функционала плотности B3LYP в базисном наборе def2-TZVP. Проведено сопоставление полученных результатов расчетов с имеющимися экспериментальными данными. Показано, что полученные методом гибридного функционала плотности расчетные данные находятся в удовлетворительном согласии с данными экспериментов для «голых» кластеров в инертных средах как по спиновой мультиплетности основного состояния, так и по энергии атомной ударной диссоциации кластеров в потоках инертных газов.

Проведено компьютерное моделирование и выполнены расчеты параметров устойчивости (полной энергии, энергии связи, энергии ионизации и сродства к электрону, частот колебаний) в основных состояниях молекулы O2 (X 3Zg-) и супероксид-иона O2- (X 2Пg)в диэлектрических средах. Химические частицы помещались в топологическую полость континуальной среды. В СРСМ модели учтены энергия кавитации, электростатические и дисперсионные взаимодействия с континуальной поляризуемой средой растворителя. Расчеты реализованы с использованием алгоритмов пакета ORCA методом гибридного функционала плотности B3LYP в базисном наборе 6-31+G(d). Получены расчетные данные для эффективных сред с диэлектрической проницаемостью вакуума, бензола и воды. Показано, что рост диэлектрической проницаемости растворителя значительно увеличивает устойчивость супероксид-иона O2- по отношению к окислению и переходу в инактивированное состояние молекулы кислорода с расчетной энергией сродства к электрону: 0,495 эВ, 2,723 эВ, 3,803 эВ для вакуума, бензола и воды соответственно.