Введение

В 1996 году в Стокгольме вручена Нобелевская премия по химии Ричарду Смолли, Роберту Керлу и Гарольду Крото, ставшая венцом экспериментального открытия фуллеренов в 1985 году – нового, бесконечно широкого класса молекул углерода. Лауреаты отмечают, что «открытие состояло в установлении того факта, что углерод один, без посторонней помощи образует молекулы в форме усеченного икосаэдра и более крупные геодезические клетки», при этом «углерод изначально, с момента возникновения Вселенной, одарен этой способностью к самопроизвольной сборке молекул фуллеренов». Особое место среди всех фуллеренов занимает молекула C₆₀. Во-первых, благодаря высокой симметрии и стабильности, во-вторых, из-за технологичности получения и очистки. Возможность существования молекулы С₆₀ замкнутой формы, напоминающей покрышку футбольного мяча, не раз обсуждалась исследователями в научной литературе. Советскими учеными: Бочваром, Гальперном и Станкевичем была показана стабильность молекулы C₆₀ на основании численных расчетов еще за 10 лет до экспериментального открытия этой интереснейшей формы углерода. Многие уникальные оптические, электрофизические и химические фуллеренов, предсказанные с помощью методов квантовой химии, были также успешно подтверждены экспериментами.

История открытия и изучения фуллеренов показала, что совместное применение численных расчетов и эксперимента (например, ИК- и ЯМР- спектры) для изучения электронной структуры самоорганизованных углеродных нанокластеров является передовым направлением современной науки. Постоянное развитие мощности компьютеров привело к тому, что численное моделирование стало одним из самых важных инструментов исследований в физике, химии, биологии, материаловедении и др. Компьютерное моделирование структур и свойств веществ не только дополняет экспериментальные методы исследования, но и во многих случаях позволяет получать новые данные. Существенно сокращаются временные и материальные затраты на практические поиски новых соединений или внешних условий, при которых исследуемая молекула начинает обладать желаемыми свойствами. Применение вычислительных кластеров и специализированных программных комплексов широко используется ведущими исследовательскими университетами и предприятиями мира и является залогом их успешного развития.

На данный момент существует достаточное количество программных комплексов для расчета квантово-химических задач. Одним из самых распространенных и хорошо зарекомендовавших себя является пакет программ Gaussian03.

Цель вычислительного практикума по нанотехнологиям - изучение электронного строения и спектров инфракрасного поглощения фуллеренов С₆₀ как самоорганизованных нанообъектов с использованием программного комплекса Gaussian03. В практикум входит 5 лабораторных работ:

1. «Основы работы в редакторе GaussView пакета Gaussian03»

2. «Численное моделирование электронной структуры молекул с использованием квантово-механического пакета Gaussian03»

3. «Молекулярное строение и электронная структура молекулы фуллерена С₆₀»

4. «ИК- спектр изолированной молекулы фуллерена С₆₀»

5. «ИК- спектр молекулы фуллерена С₆₀ в растворах»