Разработка и калибровка потенциалов силового поля для моделирования свойств многостенных нанотрубок на основе слоистых халькогенидов переходных металлов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-23-00040

НазваниеРазработка и калибровка потенциалов силового поля для моделирования свойств многостенных нанотрубок на основе слоистых халькогенидов переходных металлов

Руководитель Бандура Андрей Вилович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-703 - Моделирование наноструктур, их формирования и самосборки

Ключевые слова неэмпирические расчеты, силовые поля, машинное обучение, метод молекулярной механики, метод молекулярной динамики, слоистые кристаллы, многостенные нанотрубки, разноповерхностные монослои, энергия сворачивания, фононные частоты, модули упругости, термодинамические функции

Код ГРНТИ31.15.19 31.01.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на теоретическое исследование структуры, устойчивости, термодинамических и упругих свойств многостенных нанотрубок на основе простых и смешанных (разноповерхностных) халькогенидов переходных металлов. Уникальные электронные и оптические свойства многостенных нанотрубок на основе указанных соединений делают их перспективными кандидатами для фотокаталитических, электрохимических и наноэлектронных приложений. К настоящему времени синтезировано достаточно много нанотрубок на основе халькогенидов металлов, и все они являются многостенными. Однако абсолютное большинство теоретических работ ограничивается рассмотрением одностенных нанотрубок, а многостенные нанотрубки фактически выпадают из круга рассматриваемых нанообъектов. Это связано с практической невозможностью, даже на основе современных суперкомпьютеров, проводить расчеты многостенных нанотрубок из первых принципов (например, в рамках теории функционала плотности). Так, 12-стенная нанотрубка MoS2 типа "зигзаг" с внешним диаметром 23 нм содержит более 11000 атомов в трансляционной единице. Тем не менее, теоретическое моделирование структуры, устойчивости, упругих и термодинамических свойств бинарных и смешанных многостенных нанотрубок необходимо не только для интерпретации наблюдаемых характеристик уже известных наноматериалов, но также для прогнозирования свойств еще не синтезированных наносистем. Это обстоятельство определяет актуальность и новизну предлагаемого проекта. В качестве основных инструментов для данного исследования выбраны методы моделирования, основанные на классических силовых полях. Причина такого выбора достаточно очевидна и заключается в уже упомянутом размере экспериментально наблюдаемых многостенных нанотрубок. Поэтому центральное место в проекте занимает разработка методики конструирования и калибровки ("обучения") силовых полей, предназначенных для моделирования свойств многостенных нанотрубок, образованных монослоями слоистых кристаллов. Использование элементов машинного обучения, надо полагать, позволит ускорить трудоемкий процесс создание силовых полей. Предполагаемая методика включает три этапа. На первом этапе создания силового поля будет выбран "обучающий" набор тестовых систем, характер межатомных взаимодействий в которых должен в совокупности отражать особенности взаимодействий в многостенных нанотрубках. Требуемые характеристики тестовых систем будут определены в результате неэмпирических расчетов. На втором этапе создания силового поля будет определен аналитический вид двух- и трехчастичных вкладов в потенциальную энергию рассматриваемых систем. Опыт предыдущих исследований показывает, что для неорганических наносистем удовлетворительные результаты могут быть достигнуты при использовании классической схемы, в которой учитываются вклады, допускающие физическую интерпретацию. Третий этап будет заключается в написании программного кода, необходимого для параметризации силовых полей на основе многокритериальных (многофакторных) методов оптимизации. Для решения указанной задачи будет использован высокоуровневый язык объектно-ориентированного программирования Python 3, а также соответствующие библиотеки. Представленная методика будет использована для разработки силовых полей, способных предоставить корректную информацию о структуре, устойчивости и других свойствах многостенных нанотрубок на основе простых и смешанных сульфидов и селенидов вольфрама и гафния. Эти системы актуальны тем, что они являются перспективными материалами для создания полевых транзисторов, перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов, устройств для фотокаталитического расщепления воды и электрохимических накопителей водорода. Найденные потенциалы будут применены для расчета энергий образования, плотности фононных состояний, модулей упругости и термодинамических функций указанных систем. Моделирование планируется осуществить в рамках методов молекулярной механики и динамики.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бандура А.В., Лукьянов С.И., Домнин А.В., Куруч Д.Д., Эварестов Р.А. Density functional and force field modeling of multi-walled WS2 nanotubes Computational and Theoretical Chemistry, том 1229, номер статьи 114333 (год публикации - 2023)
10.1016/j.comptc.2023.114333

2. Бандура А.В., Лукьянов С.И., Домнин А.В., Куруч Д.Д., Эварестов Р.А. Построение силового поля для компьютерного моделирования многостенных нанотрубок с использованием генетического алгоритма. I. Дисульфид вольфрама Журнал неорганической химии, том 68, № 11, с. 1588-1598 (год публикации - 2023)
10.31857/S0044457X23601086

3. Лукьянов С.И., Бандура А.В., Куруч Д.Д., Эварестов Р.А. Force-field modeling of single-chirality-angle multi-walled WS2 nanotubes Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, volume 165, article number 116066 (год публикации - 2025)
10.1016/j.physe.2024.116066

4. Домнин А.В., Куруч Д.Д., Лукьянов С.И., Эварестов Р.А., Бандура А.В. Development of force field potentials for modeling multi-walled WS2 nanotubes BOOK OF ABSTRACTS of the 19-th V.A. Fock Meeting on Theoretical,Quantum and Computational Chemistry (год публикации - 2023)

5. Домнин А.В., Куруч Д.Д., Лукьянов С.И., Эварестов Р.А., Бандура А.В. EZFF2 – software for global optimization of force-field potentials: development of force-field potentials for modeling multi-walled WSe2 nanotubes BOOK OF ABSTRACTS of the 20-th V.A. Fock Meeting on Theoretical, Quantum and Computational Chemistry (год публикации - 2024)

6. Бандура А.В., Лукьянов С.И., Домнин А.В., Куруч Д.Д., Эварестов Р.А. Derivation of a Force Field for Computer Simulations of Multi-Walled Nanotubes. II. Tungsten Diselenide Russian Journal of Inorganic Chemistry (год публикации - 2024)
10.1134/S003602362460268X

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Алгоритмы, программы и тестовые системы, подготовленные на данной стадии выполнения проекта, были использованы для калибровки силовых полей, предназначенных для моделирования наносистем на основе WSe2, WSSe, HfS2 HfSe2 и HfSSe. В соответствии с планом на второй год выполнения проекта была осуществлена доработка алгоритма оптимизации силовых полей. Исходный код программного обеспечения был полностью переписан, что позволило улучшить структуру исходного кода и оптимизировать скорость работы приложения. При этом был усовершенствован и расширен интерфейс к программе GULP, что позволило увеличить число целевых характеристик. Таким образом, в результате проделанной работы разработан модифицированный код на языке программирования Python3, который опубликован в открытом доступе по ссылке: https://github.com/akvatol/ffopt. Разработанные силовые поля были применены для моделирования структуры, устойчивости и механических и термодинамических свойств многостенных нанотрубок больших диаметров имеющих вышеуказанный состав. Важной характеристикой стабильности многостенных нанотрубок является энергия связывания одностенных компонентов. Моделирование методом силового поля свидетельствуют о том, что зависимость этой величины от хиральности относительно невелика и коррелирует с межстенным расстоянием, которое убывает с увеличением числа стенок и диаметра. При одинаковом числе стенок и близких диаметрах нанотрубок типа "зигзаг" немного более стабильны, чем нанотрубки типа "кресло". Наименьшую по величине энергию связывания одностенных нанотрубок имеют дисульфиды Hf. Наибольшую стабилизацию проявляют бинарные диселениды как W, так и Hf. Другой характеристикой стабильности может служить энергия сворачивания многостенных нанотрубок из нанослоев. Молекулярно-механическое моделирование показывает, что в случае бинарных соединений эта величина положительна и имеет значение порядка 1 кДж/моль. При увеличении числа стенок она возрастает, стремясь к постоянному пределу. Для смешанных (янусовских) нанотрубок больших диаметров, с атомами Se на внешних поверхностях, энергия сворачивания так же возрастает с увеличением числа стенок, начиная с отрицательных величин и достигая некоторого предельного значения, которое может лежать как в отрицательной, так и в положительной области. Таким образом, показано, что янусовские нанотрубки демонстрируют повышенную устойчивость. Установлено, что почти все рассмотренные нанотрубки указанных выше составов, в той или иной степени, проявляют отклонения формы стенок от идеально круговой цилиндрической, что подтверждается экспериментально. Впервые показано, что форма многостенных нанотрубок на основе дихалькогенидов Hf значительно отличается от формы аналогичных нанотрубок на основе дихалькогенидов W. При числе стенок больше четырех, нанотрубки на основе HfS2, HfSe2 и HfSSe демонстрируют заметно большее отклонение от круговой цилиндрической формы, чем трубки на основе дихалькогенидов W при таких же хиральностях и диаметрах. Значения модуля Юнга, полученные в молекулярно-механических расчетах для многостенных нанотрубок при увеличении числа стенок сначала убывают, а затем стабилизируются на величинах, которые зависят от хиральности. Величины модуля Юнга коррелируют со значениями, найденными для соответствующих объемных кристаллов. Для дихалькогенидов Hf эти величины приблизительно в два раза меньше таковых для дихалькогенидов W. Расчеты термодинамических свойств нанотрубок, выполненные на основе фононных частот, свидетельствуют, о том, что температурно-зависимые вклады в избыточную (относительно стабильной фазы) свободную энергию Гельмгольца отрицательны и убывают с температурой. В случае дихалькогенидов Hf эти величины приблизительно в два раза больше, чем в случае дихалькогенидов W. Избыточная теплоемкость демонстрирует немонотонный характер изменения с температурой и стремится к 0 при высоких температурах. Показано, что рассмотренные вклады уменьшаются по величине с ростом числа стенок. Это свидетельствует о том, что чем больше число стенок в трубке, тем ближе становится ее термодинамика к таковой для объемного кристалла. Расчеты методом молекулярной динамики показали, что разработанные силовые поля обеспечивают структурную целостность рассмотренных нанотрубок вплоть до температур 1000 К. Тем не менее, степень деформации формы нанотрубок увеличивается с уменьшением числа стенок в трубке и с ростом температуры. Этот эффект заметно более выражен для нанотрубок на основе дихалькогенидов гафния.

Публикации