Введение к работе
Актуальность темы. Разработка теоретических подходов к описанию систем высокой плотности (неидеальных газов, жидкостей и твердых тел) является одной из наиболее актуальных, и, вместе с тем, сложных задач статистической физики При переходе от объемных фаз к граничным слоям и малым объектам, тек существенно неоднородным системам, трудности применения микроскопического подхода - подхода, позволяющего прогнозировать структурные и термодинамические характеристики неоднородных систем по заданному потенциалу межмолекулярного взаимодействия, в значительной степени возрастают Для решения такого рода задач нам представляется весьма перспективным применение метода функционала плотности (МФП) В рамках данного метода возможно описание структуры и, как следствие, термодинамических характеристик малых объектов Одним из наиболее важных примеров такого рода объектов являются конденсированные тонкие пленки, которые используются в микроэлектронике
Развитие водородной энергетики является одной из наиболее актуальных задач современной техники Эта задача станет еще более актуальной в случае решения проблемы использования термоядерной энергии Уже сейчас в автомобилях в качестве используют природный газ (метан) Однако для этого приходится создавать давление до 40 атм Такого рода топливные элементы и заправочные станции весьма опасны, поэтому их располагают за пределами городов. В связи с бесперспективностью указанного выше подхода к водородной энергетике, необходимо разрабатывать альтернативные решения проблемы водородных топливных элементов Одним из наиболее перспективных путей решения этой проблемы является использование топливных элементов, функционирование которых основывается на явлении адсорбции
Целью работы является исследование конденсированных пленок и адсорбционных слоев на поверхности твердого тела на основе метода функционала атомной плотности В качестве конкретных задач настоящей работы можно выделить следующие 1) разработка нового варианта квазитермодинамического подхода к смачивающим слоям жидкости, который можно рассматривать как редуцированный вариант МФАП, 2) разработка схемы расчета распределения локальной плотности и адсорбционных характеристик на основе МФАП, 3) расчеты распределения локальной плотности и изотерм адсорбции для различных модельных адсорбционных слоев на поверхности твердого тела, 4) исследование влияния вида адсорбционного потенциала на процессы адсорбции, сравнительное исследование адсорбции на трехмерных и двумерных адсорбентов, 5) исследование процесса адсорбции водорода в плоской мезопоре графитового адсорбента.
Научная новизна: 1 Рассмотрение пленки жидкости на поверхности твердого тела было впервые проведено с использованием более общего потенциала подложки (ад-
сорбционного потенциала), чем в работах Т.В. Быкова, которые можно рассматривать в качестве прототипа развитого в данной работе подхода; 2. Впервые исследовано влияние величины параметров адсорбционного потенциала - характерного молекулярного размера и глубины потенциальной ямы на структуру слоев и их адсорбционные характеристики,
Впервые проведено исследование распределения плотности адсорбата -водорода в мезопоре графитового адсорбента на основе МФАП,
Предложен новый квазитермодинамический подход к смачивающим слоям, который можно рассматривать как редуцированный вариант МФАП
Практическая значимость работы: 1 По сравнению с простыми полуэмпирическими и квазихимическими моделями адсорбции, МФАП можно использовать для более детального прогнозировании структуры и свойств адсорбционных слоев, которые играют важную роль как в ряде природных, так и технологических процессов; 2. В современной микроэлектронике широко применяются эпитаксиальные технологии, связанные с формированием квазиравновесных слоев на поверхности твердого тела. Хотя эпитаксиальные слои не являются в полной мере равновесными и формируются при температурах ниже температуры плавления конденсирующегося вещества, исследование равновесных пленок при температурах выше температуры плавления позволяет глубже понять некоторые закономерности и проблемы эпитаксиальных технологий Кроме того, полученные в работе результаты могут служить основой нового варианта эпитаксиальной технологии, при которой конденсация осуществляется выше температуры плавления, а затем уже осуществляется кристаллизация жид-коподобной пленки,
3 Результаты, связанные с исследованием адсорбции водорода в графитовом адсорбенте можно рассматривать как теоретическую основу для создания водородных топливных элементов, работа которых основывается на применения явлении адсорбции.
Основные положения, выносимые на зашиту: 1 В равновесии с собственным паром могут находиться только очень тонкие жидкие пленки, т.е адсорбционные слои, отвечающие моно- и бислою, в редких случаях - трем монослоям;
2. Распределения плотности в адсорбционных слоях имеют выраженные максимумы, свидетельствующие о высокой степени позиционной упорядоченности атомов, т.е о высокой степени дифференциации монослоев,
В леннард-джонсовских системах изотермы адсорбции имеют вид, отвечающий изотерме фрейндлиховского типа. Это свидетельствует о том, что рост второго и третьего монослоев начинается еще до заполнения нижнего монослоя. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в исследованных системах рост пленок осуществляется по механизму Фольмера-Вебера;
Предложен метод прогнозирования характерной толщины мезопоры в графитовом адсорбенте оптимальной для создания водородного топливного элемента В соответствии с приведенными оценками оптимальная толщина мезопоры соответствует 5-6 удаленным графитовым монослоям,
5 Подтверждена адекватность нового квазитермодинамического подхода к смачивающим слоям Установлено, что существует некоторое характерное значение относительного энергетического параметра адсорбционного потенциала, отвечающее качественному изменению вида изотермы расклинивающего давления, т е. переходу от стабильной пленки к нестабильной
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на Международной научной конференции «Тонкие пленки и наноструктуры» (Москва, 2005), на семинаре в Институте физической химии РАН (Москва, 2005); на Международной междисциплинарной научной конференции «Курдюмовские чтения Синергетика в естественных науках» (г Тверь, 2007); на XI Всероссийском симпозиуме «Термодинамика поверхностных явлений и адсорбции» (г. Плес, 2007)
Публикации. Результаты работы отражены в 5 научных публикациях Структура работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 3 таблицы Список литературы включает 167 наименований.
