профессор, д.ф.-м.н. Сергей Федорович Чекмарев

Введение в физику кластеров наночастиц
Лектор: проф. С. Ф. Чекмарев
1 курс магистратуры, 10 семестр, 32 часа, экзамен
I. Введение
Кластеры, наночастицы и наноматериалы – примеры и области применения. Краткий
обзор методов исследования (теория, моделирование и эксперимент). Связь с
биологическими макромолекулами.
II. Методы компьютерного моделирования
1. Классические методы. Потенциалы взаимодействия. Методы молекулярной
динамики (МД): ньютоновская и ланжевеновская динамика. Области их применения и
типичные реализации. Информация, получаемая с помощью методов МД.
Методы Монте-Карло (МК), схема Метрополиса (микроканонический и
канонический ансамбли). Информация, получаемая с помощью методов МК.
2. Неэмпирические (ab initio) методы. Метод Хартри-Фока. Теория функционала
плотности (метод Кона-Шама). Области применения и типичные реализации.
III. Методы компьютерного исследования
1. Метод Стиллинжера-Вебера. Теория метода. Идентификация
характеристических структур (изомеров). Методы поиска локальных минимумов.
Применение к исследованию поверхности потенциальной энергии (ППЭ), термодинамики
и кинетики кластеров. Преимущества и недостатки метода.
2. Исследование ППЭ. Типичные ландшафты ППЭ (бассейны и супербассейны
притяжения). Методы повышения эффективности исследования ППЭ за счет повышения
температуры и деформации ППЭ (методы мультигистограмм, обобщенного ансамбля,
параллельного смешения и др.). Преимущества и недостатки методов.
3. Эвристическая МД. Эффект шлюзования вверх по бассейнам. Техника
запирания МД-траектории системы в бассейне. Стратегии «табу-поиска». Примеры
применения метода: исследование свойств индивидуальных изомеров, скоростей сложных
конформационных переходов и глобальной ППЭ.
IV. Структура простых кластеров
Типы структур. Эволюция структуры с размером. Магические кластеры.
Особенности структуры для кластеров различных материалов (кластеры благородных
газов, металлические кластеры, кластеры углерода, кластеры воды и щелочно-галоидных
кластеры).
V. Ландшафт ППЭ
Методы поиска седловых точек. Графы связности для ППЭ. Типы графов и их
связь со структурой кластеров.
VI. Термодинамика кластеров
Микроканонический и канонический ансамбли. Энергетические спектры изомеров
и калорические зависимости. Калорические свойства индивидуальных изомеров и
абсолютные плотности состояний. Плавление кластеров. Критерий Линдемана. Связь с
самодиффузией в кластерах. Статистическая модель кластера. Испарение кластеров.
Охлаждение кластеров при испарении.
VII. Кинетика изомеризации
Основное кинетическое уравнение. Скорости переходов, теория переходного
состояния, микроканонический и канонический ансамбли. Переходные вероятности,
изомеризация как марковский процесс в пространстве изомеров. Графы связности в
терминах свободной энергии. Примеры.
VIII. Особенности кластеров различных материалов
Металлические кластеры. Углеродные кластеры, фуллерены, нанотрубки. Кластеры
воды. Щелочно-галоидные кластеры.
IX. Биологические макромолекулы
Аминокислоты. Первичная, вторичная и третичная последовательности белков.
Атомный уровень описания, молекулярная механика. Огрубленное описание: решеточные
и вне-решеточные модели, модель Го. Фолдинга биополимеров: парадокс Левинталя,
принцип минимальных фрустраций, концепция «воронки». Времена фолдинга и их
распределение.
Литература
1. A. R. Leach. Molecular Modelling: Principles and Applications. Pearson Education, 2nd Ed.,
2001.
2. D. J. Wales. Energy Landscapes: With Applications to Clusters, Biomolecules and Glasses.
Cambridge, 2004.
3. Clusters and Nanomaterials: Theory and Experiment. Eds. Y. Kawazoe, T. Kondow and K.
Ohno, Springer, 2001.
4. J. Jortner and C. N. R. Rao. Nanostructured advanced materials. Perspectives and directions,
Pure Appl. Chem., Vol. 74, No. 9, pp. 1491–1506, 2002.
5. S. F. Chekmarev*. Confinement Technique for Simulating Finite Many-Body Systems. In:
"Atomic Clusters and Nanoparticles", Lectures at the Les Houches Summer School, Session No.
LXXIII (Springer-Verlag and EDP Sciences, Les Ulis, 2001), 509-563.