Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения
Актуальные направления в физике конденсированных сред
В рамках проекта "Электронная и атомная структуры перспективных сверхпроводящих углеродных наноструктур" проводилось теоретическое исследование атомной и электронной структуры углеродных тороидальных молекул (два изомера С120 и С240) и их эндоэдральных комплексов с литием (Li2@Cn и Li4@Cn). Расчеты осуществлялись как неэмпирическим (базис 3-21G), так полуэмпирическим (MNDO) методами. Для металлосоединений с помощью молекулярной динамики изучалось поведение внедренных атомов во внутренней полости углеродного остова.
Тороидальные молекулы и их комплексы с литием. a) С120,
b) изомер C120, c) C240,
d) Li2@C120, e) Траектория движения атомов лития в процессе молекулярного моделирования комплекса Li2@C120, f) Li4@C120.
Показано, что в структуре электронных уровней металлокомплексов находится внедренное состояние, расположенное в запрещенной зоне, появление которого обусловлено наличием в молекулах электронов атомов металла. При температурах порядка 100-300 К ионы щелочных металлов приобретают орбитальный момент за счет коррелированного движения ядер над низкоэнергетическими барьерами потенциальной поверхности внутри углеродных торов. Возникновение этих орбитальных моментов объяснено изменением вклада орбитального электронного момента в потенциальную поверхность комплексов. Положение внедренного состояния и ширина запрещенной щели зависят как от исходной углеродной структуры, так и от количества внедренных атомов. Движение ионов щелочного металла приводит к размыванию потолка валентной зоны и к появлению волны зарядовой плотности поляризации углеродной сферы.
Плотности состояний тороидальных структур. a) С120 (elong), C120 (short) - MNDO, b) С120 (elong), C120 (short) - 3-21G, c) С120 (elong) - MNDO, 3-21G (оптимизация происходила методом MNDO), 3-21G, d) C120 (short) - MNDO, 3-21G (оптимизация происходила методом MNDO), 3-21G.
Изучена электронная и атомная структура десятков низших и высших фуллеренов различной симметрии. Предложена новая схема образования фуллеренов, основанная на анализе схожести между экспериментально зафиксированными углеродными структурами. Первоначально, согласно экспериментальным данным, идет синтез микрокластеров С2 и С10, затем из них собирается либо промежуточный кластер-зародыш, либо готовый низший фуллерен. Из кластер-зародыша с "хорошей" симметрией может, с достаточно высокой вероятностью, собираться фуллерен высокой симметрии. Рассмотрены атомные и электронные структуры таких молекул как С36, С60, С70, С76; для С36 рассчитаны ЯМР спектры и сопоставлены с экспериментальными данными.
Изучена электронная и атомная структура десятков низших и высших фуллеренов различной симметрии. Предложена новая схема образования фуллеренов, основанная на анализе схожести между экспериментально зафиксированными углеродными структурами. Первоначально, согласно экспериментальным данным, идет синтез микрокластеров С2 и С10, затем из них собирается либо промежуточный кластер-зародыш, либо готовый низший фуллерен. Из кластер-зародыша с "хорошей" симметрией может, с достаточно высокой вероятностью, собираться фуллерен высокой симметрии. Рассмотрены атомные и электронные структуры таких молекул как С36, С60, С70, С76; для С36 рассчитаны ЯМР спектры и сопоставлены с экспериментальными данными.