МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ

Часть 1. Компьютерное моделирование электронной структуры фуллерена с60

Учебно-методическое пособие

Битюцкая Л.А., Тучин А.В., Бормонтов Е.В.

ББК 32.97

К

УДК 538.915:532:004

Составители: Л.А. Битюцкая, А.В. Тучин, Е.Н. Бормонтов

Подписано в печать .11 Гарнитура «Times New Roman». Бумага офсетная. Формат 60х84 . Объем 3 п.л. Тираж 200 экз. Заказ .

Компьютерное моделирование электронной структуры фуллерена С₆₀: Вычислительный практикум / Сост. Л.А. Битюцкая, А.В. Тучин; Е.Н. Бормонтов.- Вып.1. – Воронежский государственный университет, 2011.- с.; ил.- (Нанотехнологии и наноматериалы).

ISBN 978-5-91359-095-4

Учебное пособие “Компьютерное моделирование электронной структуры фуллерена С₆₀” является первым выпуском цикла практических работ по направлению “нанотехнологии и наноматериалы” серии вычислительный практикум в программном комплексе Gaussian03 с использованием редактора GaussView. Выпуск включает пять лабораторных работ, позволяющих познакомиться c современными методами вычислительной физики и химии: методом теории функционала плотности и методом Хартри-Фока, приобрести практические навыки численного моделирования электронной структуры, молекулярного строения и ИК-спектра самоорганизованных кластеров и молекул, таких как фуллерены. Учебное пособие предусматривает многоуровневые по сложности задания, включая творческие. Практикум предназначен для магистров по направлениям: “электроника и наноэлектроника ”, “физика” и “химия, физика и механика материалов”, также может использоваться слушателями факультета повышения квалификации по направлению “нанотехнологии и наноматериалы” и студентами старших курсов и аспирантов при выполнении НИР.

ББК 32.97

УДК 538.915:532:004

ISBN 978-5-91359-095-4 © Воронежский государственный университет, 2011

Оглавление

Введение 6

Лабораторная работа №1 «Основы работы в редакторе GaussView пакета Gaussian03» 8

1.1 Теоретическая часть 8

1.1.1 Программный комплекс Gaussian03 8

1.1.2 Редактор GaussView 11

1.2 Практическая часть 15

1.2.1 Построение молекул c использованием библиотек редактора GaussView 15

1.2.2. Примеры задания конфигурации молекул в редакторе GaussView 16

Вопросы 19

Лабораторная работа №2 «Численное моделирование электронной структуры молекул с использованием пакета Gaussian03» 21

2.1 Теоретическая часть 21

2.1.1 Основные методы расчета молекулярных структур 21

2.1.2 Неэмпирические методы расчета 22

2.1.2.1 Метод Хартри-Фока 22

2.1.2.2 Метод теории функционала плотности 24

2.1.3 Основные квантово- механические базисы 27

2.2 Практическая часть 30

2.2.1 Использование Gaussian Calculation Setup для установки параметров расчетов 30

2.2.2 Контрольный пример. Расчет характеристик молекулы кислорода O₂ 33

2.2.2.1 Визуализация электронной структуры атома кислорода 33

2.2.2.2 Зависимость полной энергии двух атомов кислорода от расстояния между ними 37

2.2.2.3 Расчет равновесного расстояния молекулы кислорода 41

Лабораторная работа №3 «Молекулярное строение и электронная структура молекулы фуллерена С₆₀» 45

3.1 Теоретическая часть 45

3.1.1 Молекулярное строение фуллеренов C₆₀ 45

3.1.2 Получение фуллеренов 47

3.1.3 Свойства фуллеренов 51

3.1.4 Применение фуллеренов 54

3.1.5 Фуллериты 60

3.1.6 Электронная структура фуллеренов С₆₀ 61

3.2 Практическая часть 63

3.2.1 Электронная структура молекулы фуллерена С₆₀ 63

Вопросы 64

Лабораторная работа №4 «ИК- спектр изолированной молекулы фуллерена С₆₀» 66

4.1 Теоретическая часть 66

4.1.1 ИК-спектроскопия как метод идентификации молекул 66

4.1.2 Колебательный спектр двухатомной молекулы 68

4.1.3 Колебания многоатомных молекул 72

4.1.2 ИК-спектр фуллерена С₆₀ 74

4.2 Практическая часть 75

4.2.1 Расчет нормальных колебательных мод в Gaussian 75

4.2.2 Расчет структуры и колебательного спектра молекулы воды 75

4.2.2 ИК-спектр молекулы фуллерена С₆₀ (1664.96 3800.96 3914.25) 76

Вопросы: 77

Лабораторная работа №5 «ИК- спектр молекулы фуллерена С₆₀ в растворах» 78

5.1 Теоретическая часть 78

5.1.1 Типы растворов 78

5.1.2 Растворимость фуллеренов 83

5.2 Практическая часть 85

5.2.1 Учет эффектов сольватации при расчетах в Gaussian03 85

5.2.2 ИК-спектр молекулы С₆₀ в растворах 86

Вопросы: 87

Литература 88

Глоссарий терминов. 89

Приложение 1. Панель меню и панель команд редактора GaussView. 90

Приложение 2. Настройки параметров расчетов Gaussian03. 91

Приложение 3. Справочная информация о неорганических молекулах 93

Приложение 4. Справочная информация об органических молекулах 101

Приложение 5. Правила оформления лабораторных работ 112