Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

УТВЕРЖДАЮ

Ректор РХТУ им. Д.И. Менделеева

_ В.А. Колесников

Программа краткосрочного повышения квалификации преподавателей и научных работников высшей школы по направлению

«ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ»

на базе учебного курса «Компьютерное моделирование наноразмерных частиц»

Цель – изучение основных принципов моделирования наноразмерных молекулярных систем и кластеров и введение в круг решаемых практических задач, включая интерпретацию результатов расчетов Категория слушателей преподаватели и научные работники высшей школы Примерный срок обучения 24 часа Форма обучения _с частичным отрывом от работы Режим занятий 8 часов в день Целью данного курса является ознакомление с основными принципами моделирования наноразмерных молекулярных систем и кластеров и введение в круг решаемых практических задач, включая интерпретацию результатов расчетов, проведенных с использованием современных компьютерных программ Требования к аппаратному и программному обеспечению: персональный компьютер с оперативной памятью 2Мб, объем жесткого диска 50 Мб; специализированные компьютерные программы GAMESS, CRYSTAL, HYPERCHEM.

Требования к уровню освоения учебного курса Преподаватели должны:

Знать - возможности основных современных методов компьютерного моделирования, области их применимости и методы трактовки химических явлений и процессов в наношкале, примеры применения к конкретным наноразмерным системам;

Иметь навыки - самостоятельного применения современных методы компьютерного моделирования для расчета физико-химических свойств молекулярных, супрамолекулярных и кристаллических наносистем.

Иметь представление - о практическом применении современных стандартных компьютерных программ для решения задач моделирования наноразмерных частиц и интерпретации получаемых результатов Научные работники должны:

Знать - принципы количественной характеризации атомной и электронной структуры молекулярных, супрамолекулярных и кристаллических наносистем и полимеров;

- основные взаимосвязи между электронной структурой и физико-химическими свойствами веществ, лежащие в основе управления свойствами;

- возможности основных современных методов компьютерного моделирования, области их применимости и методы трактовки химических явлений и процессов в наношкале.

Уметь:

Применять современные методы компьютерного моделирования для расчета, интерпретации и предсказания строения и физико-химических свойств молекулярных, супрамолекулярных и кристаллических наносистем.

Владеть:

Навыками применения современных методов компьютерного моделирования при решении практических задач и стандартными компьютерными программами, применяемыми для этой цели.

Учебный курс «Компьютерное моделирование наноразмерных частиц» состоит из дистанционной и очной частей.

Дистанционная часть учебного курса обеспечивает слушателя минимально необходимым объёмом знаний по теме. Задача дистанционной составляющей учебного курса – подготовить слушателя к очному обсуждению рефератов по выбранным темам и посещению специализированных лабораторий РХТУ им. Д.И.Менделеева. Дистанционная часть учебного курса составляет 12 часов учебной нагрузки и включает теоретическую часть (лекционную) и тестирование.

В дистанционной (теоретической) части учебного курса изложены основные методы моделирования структуры и свойств наноразмерных систем, принципы современной теории химической связи и межмолекулярного взаимодействия способности веществ.

Показаны возможности современных расчетных методов и примеры их применения для конкретных нанообъектов.

Очная часть учебного курса представляет собой обсуждение рефератов по выбранным темам и ознакомление с практикой компьютерного моделирования наноразмерных частиц. Очная часть учебного курса составляет 12 часов учебной нагрузки Основные задания для лабораторного практикума:

1. Знакомство с основными современными компьютерными программами, применяемыми для моделирования наноразмерных систем.

2. Применение компьютерных программ для моделирования структуры и свойств конкретных наноразмерных систем.

Реферативное содержание лекций дистанционной (теоретической) части учебного Содержательная часть курса состоит из пяти лекций.

Лекция 1. Методы расчета молекулярных наноразмерных систем в газовой фазе. Теория функционала плотности. Метод Кона-Шэма. Обменно-корреляционный потенциалы.

Приближения, лежащие в основе методов функционала плотности. Гибридные функционалы.

Приложения.

Лекция 2. Методы расчета наноразмерных систем в конденсированных средах. Методы молекулярной механики, молекулярной динамики и МонтеКарло. Модели для аппроксимации потенциалов взаимодействия. Метод Кара-Паринелло. Приложения.

Лекция 3. Квантово-топологическая теория валентных и невалентных взаимодействий.

Квантово-топологическая теория молекулярной структуры. Электронная плотность и ее характеристики. Атомные и молекулярные взаимодействия в терминах параметров критических точек электронной плотности. Характеризация видов атомных и молекулярных взаимодействий.

Лекция 4. Моделирование молекулярного распознавания. Молекулярное распознавание.

Способы моделирования молекулярного распознавания. Приложения.

Лекция 5. Моделирование свойств деформированных углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки и их реакционная способность. Управление реакционными свойствами однослойных углеродных нанотрубок путем деформации. Моделирование свойств активных центров углеродных нанотрубок. Приложения.

Методические рекомендации по реализации учебной программы На дистанционную и очную части учебного курса отводится по 12 часов соответственно.

Полное содержание лекций в электронной дистанционной части учебного курса находится на сайте www.nanoobr.ru. Для контроля степени освоения теоретической части учебного курса (лекций) используются тестовые вопросы для самопроверки и контрольные вопросы.

Тесты для самопроверки (программа тестирования) Лекция 1. Методы расчета молекулярных наноразмерных систем в газовой фазе.

Вопрос 1. Основная величина в теории функционала плотности это 1) многоэлектронная волновая функция; 2) атомная орбиталь; 3) электронная плотность; 4) электронно-ядерный потенциал.

Ответ – Вопрос 2. Как в методе Кона-Шэма учитывается обменно-корреляционное взаимодействие электронов?

1) с помощью точного функционала; 2) с помощью приближенных функционалов, зависящих от электронной плотности; 3) с помощью приближенных функционалов, не зависящих от электронной плотности; 4) игнорируется.

Ответ – Вопрос 3. Приближение локальной плотности применяется в теории функционала плотности, чтобы 1) повысить точность расчета, 2) учесть спин электрона, 3) перенести формулы для однородного электронного газа на произвольные системы, 4) избежать итерационную процедуру расчета.

Ответ – Вопрос 4. Уравнения Кона-Шэма являются 1) точными, 2) приближенными, 3) справедливыми для однородного электронного газа; 4) игнорирующими обмен электронов.

Ответ – Вопрос 5. Энергия супрамолекулярной наночастицы при увеличении ее размера 1) увеличивается, 2) уменьшается, 3) изменяется бессистемно, 4) остается неизменной.

Ответ – Лекция 2. Методы расчета наноразмерных систем в конденсированных средах Вопрос 1. Метод Монте-Карло и метод молекулярной динамики 1) описывают все взаимодействия в системе; 2) не описывают нековалентные взаимодействия;

3) описывают только ковалентные взаимодействия; 4) применимы только для ионных связей Ответ – Вопрос 2. Потенциал в методе Монте-Карло и методе молекулярной динамики приближенно учитывает 1) все взаимодействия в системе; 2) все взаимодействия в системе, кроме кулоновских; 3) только водородные связи в системе; 4) только кулоновские взаимодействия Ответ – Вопрос 3. Движение частиц системы описывается методе молекулярной динамики 1) законами квантовой механики; 2) законами классической механики; 3) игнорируется; 4) учитывается в среднем Ответ – Вопрос 4. Разложение волновых функций по плоским волнам применяется, чтобы 1) упростить расчет; 2) ускорить расчет; 3) обойти самосогласование; 4) распространить расчет на периодические системы..

Ответ – Вопрос 5. Применяется ли приближение Борна-Оппенгеймера при компьютерном моделировании наночастиц?

1) Да; 2) нет; 3) иногда, 4) только для молекулярных систем Ответ – Лекция 3. Квантово-топологическая теория валентных и невалентных взаимодействий.

Вопрос 1. Квантово-топологическая теория атомных взаимодействий анализирует топологические свойства 1) поверхности потенциальной энергии; 2) электронной плотности; 3) электростатического потенциала; 4) потенциала ядер-ядерного отталкивания.

Ответ Вопрос 2. Критическая точка типа (3,–1) в электронной плотности 1) отвечает локальным максимумам ЭП, совпадающим с положениями ядер; 2) лежит на линии связи, пронизывающей межатомную поверхность; 3) является циклической критической точкой; 4) встречается в молекулах, имеющих клеточную (каркасную) структуру.

Ответ – Вопрос 3. Лапласиан электронной плотности в критической точке связи отрицателен, если 1) электроны концентрируются в этой точке; 2) электроны деконцентрируются в этой точке; 3) потенциальная энергия доминирует в этой точке; 4) кинетическая энергия доминирует в этой точке;

Ответ Вопрос 4. Необходимым условием образования ковалентной связи между атомами является наличие между ними критической точки ЭП типа 1) (3,–3); 2) (3,–1); 3) (3,+1); 4) (3,+3) Ответ Вопрос 5. Плотность потенциальной энергии электронов в критической точке связи 1) равна нулю; 2) положительна; 3) отрицательна; 4) не определена.

Ответ Лекция 4. Моделирование молекулярного распознавания.

Вопрос 1. Молекулярное распознавание описывает 1) нековалентное связывание молекул; 2) селективное нековалентное связывание молекул;

3) ковалентное связывание в молекулах; 4) ионное связывание молекул Ответ – Вопрос 2. Конформационный анализ позволяет установить 1) пространственное строение наночастицы с минимальной энергией; 2) пространственное строение всех конформаций наночастицы; 3) потенциальную энергию наночастицы; 4) распределение электронной плотности.

Ответ – Вопрос 3. Не относится к молекулярному распознаванию 1) нековалентное связывание молекул; 2 ионное связывание молекул; 3) связывание молекул за счет водородных связей; 4) связывание молекул за счет ван-дер-Ваальсовых связей;.

Ответ – Вопрос 4. Установить молекулярное распознавание за счет образования водородный связей путем моделирования 1) невозможно; 2) возможно; 3) возможно при условии использования квантово-механических методов; 4) требует дополнительных экспериментальных данных.

Ответ – Вопрос 5. В качестве активных центров при молекулярном распознавании не могут выступать 1) любые атомы и атомные группы; 2) атомы, несущие противоположные заряды, 2) атомы вовлеченные в водородную связь; 4) атомы и атомные группы, вовлеченные в ван-дерВаальсовы связи.

Ответ – Лекция 5. Моделирование свойств деформированных углеродных нанотрубок Вопрос 1. Углеродные нанотрубки - это 1) протяженные цилиндрические структуры, образованные углеродными гексагональными сетками, 2) любые цилиндрические структуры, 3) сферические структуры, образованные углеродными гексагональными сетками; 4) углеродные гексагональные сетки.

Ответ – Вопрос 2. Углеродные нанотрубки деформируют, чтобы 1) уменьшить их размер; 2) создать реакционно-активные центры на концах трубки; 3 – создать реакционно-активные центры в требуемых местах трубки; 4) влиять на процессы внутри нанотрубки.

Ответ – Вопрос 3. Мерой реакционной способности углеродной нанотрубки не может служить 1) полная энергия связи атомов в нанотрубке; 2) потенциальная энергия связи атомов в нанотрубке; 3) энергия связывания атома водорода с трубкой; 4) размер нанотруки Ответ – Вопрос 4. Деформированные углеродные нанотрубки 1) реакционно-способны по всей поверхности; 2) обладают повышенной реакционной способностью по всей поверхности; 3) обладают пониженной реакционной способностью по всей поверхности; 4) обладают повышенной реакционной способностью в определенных точках поверхности.

Ответ – Вопрос 5. Хемосорбция атомов водорода на поверхности углеродной нанотрубки позволяет найти 1) участки повышенной реакционной способности атомов нанотрубки; 2) участки повышенной кинетической энергии атомов нанотрубки; 3) участки неизменной реакционной способности атомов нанотрубки; 4) участки повышенной реакционной способности атомов только для углеродной нанотрубки Ответ – В чем состоит приближение Борна-Оппенгеймера?

Сформулируйте основные идеи, лежащие в основе метода Кона-Шэма?

Какую роль играет электронная плотность в методе Кона-Шэма?

В чем состоит приближение локальной плотности?

Что такое обменно-корреляционный потенциал?

Что такое гибридные функционалы ?

Охарактеризуйте потенциалы, используемые в методах молекулярной динамики и МонтеКарло.

Какие факторы учитывают при построении потенциалов, используемых в методах молекулярной динамики и Монте- Карло.

Сформулируйте основные идеи, лежащие в основе метода молекулярной динамики.

Сформулируйте основные идеи, лежащие в основе метода Кара-Парринело.

10.

Зачем одноэлектронные орбитали Кона-Шэма раскладывают по базису плоских волн?

11.

Какие особенности электронной плотности используют в квантово-топологической теории 12.

молекулярной структуры Что такое критические точки в электронной плотности? Каково их число?

13.

Какая критическая точка лежит на линии межатомной (межмолекулярной) связи?

14.

Что характеризует лапласиан электронной плотности?

15.

Какой знак характерен для лапласиана электронной плотности в критической точке 16.

нековалентной связи?

В чем суть квантово–топологического анализа электронной плотности?

17.

Что такое молекулярное распознавание?

18.

Какие подходы компьютерного моделирования молекулярного распознавания вам 19.

Зачем проводят конформационный анализ наночастиц?

20.

Какие реакционные центры молекул участвуют в молекулярном распознавании?

21.

Какую роль играют водородные связи в молекулярном распознавании?

22.

Какова структура углеродных нанотрубок?

23.

Почему деформация нанотрубок позволяет управлять их свойствами?

24.

Какие энергетические величины характеризуют активные центры нанотрубок ?

25.

Темы контрольных рефератов по курсу «Компьютерное моделирование наноразмерных 1. Методы теории функционала плотности и их применение при моделировании свойств наноразмерных частиц.

Метод Кона-Шэма и его применение при моделировании свойств наноразмерных частиц.

наноразмерных частиц.

4. Функционалы, применяемые при моделировании свойств наноразмерных частиц.

5. Метод Монте-Карло и его применение при моделировании свойств наноразмерных частиц.

6. Атомные и молекулярные взаимодействия в наночастицах.

7. Специфика наноразмерных частиц как объектов компьютерного моделирования.

8. Методы компьютерного моделирования свойств бионаночастиц.

9. Компьютерное моделирование наноразмерных элементов квантовой электроники.

10. Компьютерное моделирование процессов наномеханосинтеза.

наноразмерных систем в наноразмерных систем в конденсированных современной теории Моделирование свойств деформированных углеродных нанотрубок Основная 1. В.Г. Цирельсон. Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы, твердые тела М.:

Бином, 2010.- 496 с.

2. М.В. Венер, В.Г. Цирельсон. Компьютерное моделирование супрамолекулярных систем и наноструктур. М.: РХТУ, 2008. - 128с.

4. М.Е. Соловьев, М. М. Соловьев. Компьютерная химия. М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 536 с.

5. Романова Т.А., Краснов П.О., Качин С.В., Аврамов П.В. Теория и практика компьютерного моделирования нанообъектов//Мультимедийное справочное пособие.- Красноярск: ИПЦ КТГУ.

2002. - 223 с.

6. Handbook of Theoretical and Computational Nanotechnology. Eds. M. Rieth and W. Schommers.

(10 volume set). American Scientific Publishers, 2006.

7. http://quant.distant.ru: учебные материалы по вычислительной и квантовой химии и методам моделирования наноразмерных частиц.

8. http://quant.distant.ru/glossary.htm - гиперглоссарий понятий и терминов, используемых при компьютерном моделировании наноразмерных частиц.

Дополнительная 9. В.Г. Цирельсон. Химическая связь и тепловое движение атомов в кристаллах. -М.: ВИНИТИ, 1993. - 262 с.

10. R.W. Atkins. Friedman R.S. Molecular Quantum Mechanics, 4ed. Oxford: Oxford Univ.Press.p.

Полное содержание лекций в электронной дистанционной части учебного курса на сайте www.nanoobr.ru