Переход к передовым цифровым методам создания новых материалов, процессов и технологий и способам их конструирования

Отчет 128 с., 68 рис., 9 табл., 112 источн., 0 прил. ПЕРЕХОД К ПЕРЕДОВЫМ ЦИФРОВЫМ МЕТОДАМ СОЗДАНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРОЦЕССОВ И ТЕХНОЛОГИЙ И СПОСОБАМ ИХ КОНСТРУИРОВАНИЯ В 2021 году проведена работа по 6 направлениям: 1. Квантово-химическое моделирование редокс-процессов, протекающих с участием органических и гибридных анодных и катодных материалов в калиевых аккумуляторах. Ключевые слова: квантово-химическое моделирование, органические катоды, восстановительное металлирование, структура, ИК спектры, спектры КР. Актуальность. Органические катоды для источников тока являются перспективным классом материалов из-за их большой удельной ёмкости по сравнению с традиционными неорганическими катодами, экологичности получения и переработки и др. Однако, как правило, при работе происходит потеря емкости, что делает актуальным исследования по детальному изучению процессов деградации с целью разработки более стабильных материалов. Ограниченная ресурсная база для литиевых источников тока выдвигает сейчас на первый план исследование материалов для химических источников тока, использующих более распространенные и дешевые щелочные металлы - калий и натрий. В этом случае возникает задача теоретического изучения особенностей процессов металлирования с участием более крупных атомов, из-за которых материалы, хорошо зарекомендовавшие себя для литиевых источников тока, окажутся неоптимальными. Новизна. Для продуктов конденсации поликетонов и полиаминов, синтезированных в качестве материалов для органических катодов, проведен расчет методом функционала плотности их структуры и ИК и КР спектров а также энергетики и структурных аспектов восстановительного металлирования калием. Кроме того исследованы процессы восстановительного металлирования калием металлорганических полимеров на основе солей Ni(II) рубеановой кислоты. 2. Совместные исследования спин-фрустрации, вызванной легированием малых наночастиц ZnSe атомами Fe. Ключевые слова: квантовые точки, легирование, намагниченность, теория функционала плотности, константы обмена, коэффициенты фрустрации. Актуальность. Изучение наночастиц II-VI полупроводников является актуальной темой научных исследований. Особый интерес вызывают стехиометрические катионные кластеры (CdSe)n, (CdTe)n, (ZnS)n и (ZnSe)n, с числами n = 13, 33 и 34 (кластеры «магического размера»). Большая экспериментальная и теоретическая работа посвящена легированию магнитных атомов 3d-металлов в наноразмерные материалы II-IV, которое приводит к важным в теоретическом и практическом отношении изменениям магнитных и электронных свойств этих материалов. Новизна. В данной теоретико-экспериментальной работе обсуждается возникновение ферромагнитного обмена в нанокристаллах FexZn1-xSe размером 1,8 нм с кристаллической решеткой вюрцита. Проведено сравнение обменного взаимодействия между ионами легирующей примеси в квантовых точках FenZn1−nSe, возникающее в результате образования локальных кластеров железа. Экспериментально исследованы квантовые точки FexZn1−xSe размером 1,8 нм (x = 0,01, 0,05, 0,1). Методом ТФП проведен расчет для кластера Zn34-nSe34Fen n = 1,2,4,6, что почти эквивалентно экспериментальным концентрациям легирования. Размер квантовых точек и кластера позволяет напрямую сравнивать эксперимент с теоретическими данными. Исследованы механизмы обмена и вычислены константы обмена с помощью ТФП с нарушенной симметрией (BS). 3. Исследование магнитных свойств сети нанопроволок и микропроводов Ключевые слова: нанопровода Ni, наношары Ni, магнитный момент, магнитокристаллическая анизотропия. Актуальность. Нанопроволоки Ni демонстрируют очень интересные свойства во многих областях применения. Магнитные нанопроволоки и наношары широко применяются в медицине, спинтронике и хранении данных. Ni-нано-сеть может использоваться в системах искусственного интеллекта, датчиках для робототехники следующего поколения, а также для приложений взаимодействия человека с машиной, включая промышленность магнитных датчиков. Новизна. Проведен низкотемпературный синтез нанопроволок в оптическом гелиевом криостате путем лазерной абляции Ni в сверхтекучем гелии. Пересекающиеся нанопроволоки образуют непрерывную ферромагнитную сеть, в которую встроены поликристаллические наношары Ni,. Выполнен микроструктурный, морфологический и локальный элементный анализ полученных нанопроводов и наношаров. Исследованы их магнитные свойства. Анализ временной зависимости формы гистерезиса и сравнение с морфологией сети на каждой стадии абляции позволил различить вклад нанопроволок и наношаров в магнитный момент сети. Получено уменьшенное значение коэрцитивного поля в наносети по сравнению с теоретически предсказанным значением для системы изолированных невзаимодействующих микропроводов на ранней стадии абляции, когда в основном присутствуют нанопроволоки. Установлено, что магнитокристаллическая анизотропия Ni в нанопроволоках и наношарах близка к магнитной анизотропии объемного магнитного Ni. 4. Разработка стратегии проектирования молекулярных электридов в качестве дефектных элементарных ячеек кубических кристаллов с отсутствующим анионом. Ключевые слова: электриды, нелинейно-оптические свойства, поверхность потенциальной энергии, квантово-механические расчеты. Актуальность. Электриды известны как соединения с уникальными электронными свойствами. Эти соединения имеют электроны, локализованные в положении отсутствующего аниона, таким образом, что электроны сами становятся анионами. Не будучи непосредственно связанными с ядром, анионоподобные электроны приводят к различным интересным химическим и физическим свойствам. Будучи диффузными, электроны в электридах обладают высокой поляризацией даже в присутствии слабого электрического поля, что приводит к возникновению нелинейно-оптических свойств, которые имеют большое значение в различных промышленных областях, таких как лазеры, оптические вычисления, оптическая связь, динамическая обработка изображений и др. Новизна. Все синтезированные электриды существуют в виде твердотельных соединений со слабо связанными межузельными электронами. То есть электриды не синтезировались в виде изолированных молекулярных систем. Однако существование молекулярных электридов было бы полезно для различных применений в наномасштабе. В данной работе предложена стратегия проектирования молекулярных электридов, как дефектных элементарных ячеек ионных кубических кристаллов с отсутствующим анионом. Исследована потенциальная энергетическая поверхность стехиометрии X4O3, где X обозначает щелочноземельные металлы от Be до Ba. Показано, что структуры электридов Mg4O3, Ca4O3, Sr4O3 и Ba4O3 являются глобальными минимумами симметрии C3v на ППЭ без конкурирующих изомеров. Свойства, связанные с электридами, становятся более выраженными при переходе от Mg к Ba, причем нелинейный отклик на электрическое поле увеличивается, а энергия возбуждения уменьшается. 5. Разработка математической модели процесса получения полимерного нанокомпозита. Ключевые слова: математическое моделирование, негомогенная химическая кинетика, полимеризация. Актуальность. Получение металлополимерных нанокомпозитов, как правило, состоит из двух этапов, разделенных по времени. На первом этапе происходит полимеризация металломономеров, на втором – конденсационные процессы формирования наночастиц. Это значит, что в технологии получения нанокомпозитов большую роль играет пространственная негомогенность причем тем большую, чем сложнее внутренняя структура нанокомпозита. В связи с этим требуется разработка новых методов математического моделирования кинетики получения полимерного нанокомпозита. Новизна. Предложена концепция математического моделирования негомогенной химической кинетики полимеризации металлосодержащих мономеров. Выделены два предельных случая - негомогенность по пространству, и негомогенность по времени. Для каждого из них предложены несколько математических моделей, учитывающих выделяемую специфику, с их последующим численным анализом. 6. Разработка программных комплексов для расчёта парциального окисления горючих газов в фильтрационном режиме и в пламени вихревой газовой горелки. Ключевые слова: углеводородное сырье, парциальное окисление, фильтрационное горение, мембранный реактор, тепловые режимы, кинетическое моделирование. Актуальность. Пункт 20б СНТР определяет следующий приоритет развития: «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии». Повышение эффективности глубокой переработки углеводородного сырья возможно с разработкой некаталитических процессов прямой переработки углеводородов переменного состава, разработки последующих высокоселективных каталитических процессов получения ценных продуктов более высоких переделов с использованием многоуровнегого моделирования и оптимизации параметров химико-технологических процессов. Новизна. Разработан подход для моделирования одного из перспективных вариантов экологически чистой переработки углеводородных топлив для получения энергии или химического сырья – парциального окисления при недостатке окислителя (газификация, конверсия). Такие процессы, в частности в условиях подвижного слоя инертного теплоносителя с раздельным вводом реагентов, отличаются высокой эффективностью вследствие внутренней рекуперации тепла и низкими требованиями к используемому сырью. Для реализации таких процессов необходимо создание высокоэффективных горелочных устройств, что невозможно без детального газодинамического моделирования их работы. Такое моделирование было осуществлено с использованием подходов, основанных на методе конечных элементов. Впервые представлено математическое описание паровой конверсии углеводородной смеси, моделирующей средний состав попутного нефтяного газа, в мембранном реакторе с фольгой из Pd-Ru сплава.