Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время сложилось новое направление современной науки - мезоскопическая физика В этом направлении разработаны методы получения и экспериментального исследования полупроводниковых металлических, углеродных нанообъектов, свойства которых специфичны Мезоскопические объекты - это объекты, к которым относят отдельные наночастицы, нанополимеры, нанокластеры, нанопорошки металлов, сплавов, оксидов, карбидов, нитридов, нанокристаллы, нанопористые материалы, углеродные наноструктуры и тд Использование нанообъектов для решения прикладных задач привело к бурному развитию нанотехнологий, открывающих огромные возможности для человечества Эксперименты показывают зависимость физических свойств от размеров наночастиц и кластеров, но универсальная зависимость пока еще не совсем выявлена Нанотехнологий объединяют все технические процессы, методики, основанные на манипуляциях с отдельными атомами, именно поэтому она представляется весьма перспективной для создания и получения новых конструкционных материалов, полупроводниковых приборов, устройств для записи информации, ценных фармацевтических препаратов и т д Для твердых и жидких кластеров различных веществ предложены теоретические модели модель внутрикластерной атомной динамики, термодинамическая модель кластеров, квантово - статистическая и компьютерная модели, фрактальная модель и структурная модель плотноупакованных кластеров Большое количество литературы, посвященное изучению свойств и областей применения нанообъектов и мезоскопических объектов наночастиц, наноструктур, наносистем указывает на актуальность изучения таких объектов и, особенно на актуальность математического моделирования их структуры и особенностей происходящих, в общем случае неравновесных, процессов
Исследуемые в работе объекты - кластеры частиц, малые частицы, мезо- и наночастицы, каталитические системы, в том числе, и биологические активные комплексы, участвующие за счет своих специфических свойств почти во всех процессах жизнедеятельности, марганецсодержащие кластеры, которые широко используются в промышленности В связи с этим исследование взаимосвязи структуры и их каталитических свойств, представляет научный и практический интерес Взаимодействие рассматриваемых объектов с электромагнитным полем дает возможность выявить закономерности поведения мезо- и наночастиц под действием электромагнитного поля, а также специфику функционирования биологически-активных комплексов
Целью работы Целью работы является разработка математических моделей и математическое моделирование процессов взаимодействия электромагнитного излучения с мезоскопическими объектами, кластерами, взвешенными в континуальной среде, моделирование структуры
металлосодержащих каталитических систем - бионанокластеров и органического марганецсодержащего катализатора, а также математическое моделирование индуцированных процессов тепло- и массопереноса в системах кластеров мезо- и наноразмеров, в частности, кластеров воды ((НгО),,), в поле электромагнитного излучения
Для достижения поставленной цели были решены следующие научные задачи
разработка программного комплекса для проведения вычислительных экспериментов и расчетов с применением современных технологий математического моделирования,
проведения вычислительного эксперимента, на основе разработанного программного комплекса, для изучения взаимодействия электромагнитного излучения с кластерами частиц взвешенных в континуальной среде,
исследования процессов тепло- и массопереноса в системах кластеров мезо- и наноразмеров в поле электромагнитного излучения
исследования взаимодействия электромагнитного поля с биологически-активными комплексами и механизмов процесса ингибирования железосодержащих комплексов, а также исследование взаимосвязи, структуры и функций, марганецсодержащих нанокомплексах (биологически-активных комплексов наноразмеров) на основе квантово-механических методов,
применения методов математического моделирования и квантовой химии для установления закономерностей строения и динамики превращений химических соединений в частности, в кластерах различных веществ (кластеров воды вида (Н20)„ и тд) Изучение областей применимости этих методов и достоверности получаемых результатов расчетов в различных приближениях,
моделирование и исследование изменения энергии кластеров, свободной энергии Гиббса, энтальпии, а также характера неравновесных процессов, пространственных и временных структур в неравновесных системах,
анализа и моделирования поведения молекул и кластеров для различных химических соединений (SO2, H2SO4 и тд) в поле электромагнитного излучения различной интенсивности и периодичности воздействия
Методы исследования. В работе применяются методы электродинамики для построения математической модели взаимодействия электромагнитного излучения с кластерами, испарения и коагуляции кластеров малых размеров, поглощению и рассеиванию энергии частицами и квантово-механические методы для построения математических моделей взаимодействия электромагнитного поля с биологически-активными комплексами Для реализации решения поставленных задач, определяющих
цель работы, применяются численные методы математического моделирования, включающие алгоритм схемы Метрополиса и специальные алгоритмы для расчета фрактальной размерности
Научная новизна работы заключается в следующем
предложена математическая модель коагуляции и испарения кластеров малых размеров в поле электромагнитного излучения, в которой важнейшие характеристики рассмотрены как классически, с использованием табличных значений диэлектрической проницаемости, так и на квантовом уровне (с использованием теории функционала плотности),
проведен вычислительный эксперимент по расчету энергетических параметров системы, поглощению и рассеиванию энергии различными фракциями частиц с построением зависимостей от времени и размеров фракций,
выявлены качественные и количественные закономерности рассмотренных процессов тепло- и массопереноса в системах кластеров мезо- и наноразмеров в электромагнитном поле,
разработан алгоритм и программный комплекс на основе предложенных моделей,
проведен вычислительный эксперимент по коагуляции и расчету ряда термодинамических параметров частиц различных фракций веществ с построением зависимостей от времени и числа частиц в различных фракциях,
построена модель ингибирования железосодержащих комплексов и модель функционирования каталитического марганецсодержащего кластера на основе квантово-механических методов,
построена математическая модель взаимодействия биологически-активных комплексов основанного на соединении квантового подхода и классического подхода, описывающего электромагнитное поле
Практическая ценность работы состоит в том, что результаты, полученные с помощью программного комплекса и сам программный комплекс, могут быть использованы при проектировании высокоточных измерительных приборов при измерениях на мезо- и наноуровнях, использующих кластерные и нанотехнологии, разработанная модель для исследования механизма действия различных видов ингибирования (которые были экспериментально исследованы только на молекулярном уровне) может быть использована в решении практических задач таких как, например,
конструирование лекарственных препаратов и др Проведенные расчеты по коагуляции атмосферных аэрозолей разных размеров могут быть использованы в решении практических задач расчета процессов, происходящих в атмосфере
Предложенная модель исследования механизма процесса разложения Н202 рассматриваемыми биологически-активными марганецсодержащими комплексами позволяет на основе минимального числа экспериментальных данных получить максимальную информацию о механизме реализующегося каталитического окислительно-восстановительного процесса разложения Н202
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях
на Х1-ой Международной конференции «Математика Компьютер Образование», Дубна, 2004 г
на VI Международном конгрессе по математическому моделированию, Нижний Новгород, 2004 г
на XIV-ой Международной конференции «Математика Компьютер Образование», Пущино, 2007 г
на International Workshop «Physical and Chemical Foundations of Bioinformatics Methods», Дрезден, 2007 г
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ Список работ представлен в конце автореферата
Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, заключения, списка литературы и приложений В последней главе изложены основные результаты исследований и выводы о проделанной работе Содержание диссертации изложено на 150 листах машинописного текста и включает 28 рисунков и 12 таблиц
