Министерство образования и науки Российской Федерации Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
П.В. Лебедев-Степанов
Введение в самосборку ансамблей наночастиц
Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений
Москва 2012
УДК 620.3 + 531(075) ББК 22.317я7 Л 33
Лебедев-Степанов П.В. Введение в самосборку ансамблей наночастиц: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – 184 с .
Описание процессов самосборки ансамблей частиц с методической точки зрения требует привлечения ряда специальных разделов теоретической физики и физической химии, методов компьютерного моделирования и освоения экспериментальных методов получения и исследования микро- и наноструктур. В междисциплинарности подхода и состоит специфика данного пособия, который не имеет прямых аналогов в учебной программе и отражает новейшие потребности подготовки специалистов для работы в области нанотехнологий.
Пособие основано на курсе лекций «Методы описания процессов в ансамблях наночастиц (самосборка) и свойств ансамблей», читаемых для студентов МИФИ и МФТИ.
Предназначено для студентов, специализирующихся в области многомасштабного моделирования наноструктур, и служит введением физику процессов самосборки – одного из ключевых понятий современных технологий, связанных с производством микро- и на- но-структурированных материалов, в основе которых лежит использование особенностей поведения ансамблей наноструктур (макромолекул, микро- и наночастиц) в диссипативных системах, таких как испаряющиеся слои коллоидных растворов.
Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.
Рецензент: канд. техн. наук М.Э. Бузоверя
ISBN 978-5-7262-1754-3 |
© Национальный исследовательский |
|
ядерный университет «МИФИ», 2012 |
Оглавление |
|
Предисловие........................................................................................ |
7 |
Введение .............................................................................................. |
9 |
Глава 1. Основные понятия и определения........................................ |
12 |
1.1. Из истории понятий «самоорганизация» и «самосборка» ..... |
12 |
1.2. Движущие силы самосборки и размерный эффект................ |
16 |
Глава 2. Нанофизика и основные принципы самосборки................ |
23 |
2.1. О соотношении микро- и макромира....................................... |
23 |
2.2. Введение в термодинамику....................................................... |
25 |
2.2.1. Термодинамические функции и потенциалы....................... |
27 |
2.2.2. Системы с переменным числом частиц................................ |
31 |
2.2.3. Условия термодинамического равновесия........................... |
33 |
2.3. Равновесие жидкости и газа. Уравнение Клапейрона– |
|
Клаузиуса........................................................................................... |
35 |
2.3.1. Альтернативный подход......................................................... |
36 |
2.3.2. Феноменологические уравнения для давления.................... |
41 |
насыщенного пара............................................................................. |
41 |
3 |
|
Глава 3. Введение в статистическую физику ..................................... |
43 |
3.1. Уравнения Лиувилля ................................................................. |
45 |
3.2. Связь функции распределения с гамильтонианом.................. |
49 |
3.3. Вывод распределения Максвелла............................................. |
51 |
3.4. Распределение Гиббса. Статистическая сумма....................... |
54 |
Глава 4. Термодинамические функции реального газа ..................... |
58 |
4.1. Статистическая сумма .............................................................. |
58 |
4.2. Получение уравнения состояния из статсуммы...................... |
65 |
4.3. Вириальное разложение уравнения состояния ....................... |
68 |
4.4. Уравнение Ван-дер-Ваальса...................................................... |
71 |
4.5. Активность и большая статсумма ............................................ |
77 |
Глава 5. Критические параметры ........................................................ |
79 |
Глава 6. Потенциальная энергия реального газа................................ |
89 |
6.1. Постановка задачи ..................................................................... |
89 |
6.2. Дискретный и континуальный подходы.................................. |
91 |
6.3. Парные потенциалы................................................................... |
99 |
6.4. Радиальная функция распределения и межчастичные......... |
101 |
потенциалы...................................................................................... |
101 |
4 |
|
6.5. Вывод уравнения Ван-дер-Ваальса........................................ |
105 |
6.6. Второй вириальный коэффициент и потенциальная............ |
107 |
энергия ............................................................................................. |
107 |
6.7. Выводы...................................................................................... |
109 |
Глава 7. Диффузия, вязкость и сила сопротивления ....................... |
110 |
7.1. Сила, действующая на частицу, помещенную в газ ............. |
110 |
7.2. Подвижность ............................................................................ |
113 |
7.3. Закон Фика (закон диффузии в газе)...................................... |
116 |
7.4. Соотношение Эйнштейна между коэффициентами |
|
подвижности и диффузии............................................................... |
117 |
7.5. Диффузия во внешнем потенциале ........................................ |
119 |
7.7. Аналогии с электричеством.................................................... |
121 |
7.8. Уравнения движения в вязкой среде...................................... |
122 |
7.9. Броуновское движение наночастиц........................................ |
124 |
8. Испарение жидкостей..................................................................... |
127 |
8.1. Процесс Герца–Кнудсена ........................................................ |
127 |
8.2. Диффузионное испарение капли жидкости........................... |
130 |
8.2.1. Сферическая капля................................................................ |
130 |
8.2.2. Капля на подложке................................................................ |
132 |
5 |
|