Moderno cietvielu un nanomateriālu kvantu ķīmijas un molekulāras dinamikas pētījumi: izaicinošs ceļš uz realitāti (2018. - 2021.)

Projekta vadītājs Dmitrijs Bočarovs

Vienošanās Nr. 1.1.1.2/16/I/001

Pētniecības pieteikuma Nr. 1.1.1.2/VIAA/1/16/147

Šī projekta mērķis ir izstrādāt jaunu efektīvu datormodelēšanas stratēģiju, lai aprakstītu materiālu dinamiku un anizotropās vibrācijas īpašības, kā arī izmaiņas ķīmiskajās saitēs un defektu pārdalīšanu sarežģītos tehnoloģiski svarīgos kristālos un nanomateriālos. Šajā modelēšanā ir izmantota gan blīvuma funkcionālā teorija (DFT), gan molekulārā dinamika no pirmajiem principiem (ab initio molecular dynamics, AIMD). Esošo metožu pielietojamības robežas un tilpuma materiāliem iegūto rezultātu pārnesamība tiks aplēsta materiāliem ar defektiem un zemo dimensiju materiāliem. AIMD simulāciju precizitāte tiks apstiprināta, tieši salīdzinot MD rezultātus ar temperatūras atkarīgajiem rentgenstaru absorbcijas spektriem. Izstrādātā jaunā stratēģija un liela mēroga masveida paralēla datormodelēšana tiks izmantota nanostruktūru (nanovadu, nanocaurulīšu, nanoklasteru) fotokatalītisko īpašību aprēķiniem, ietverot ierosinātā stāvokļa aprēķinus un ūdens adsorbcijas un disociācijas modelēšanu fotokatalizatora virsmā, lai iegūtu detalizētu izpratni par fotodisociācijas mehānismu. Projekts ir multidisciplinārs un apvieno materiālu zinātni, cietvielu ķīmiju, fiziku un datorzinātni.

Projekta realizācijas laiks 36 mēneši, kopējais finansējums 133805.88 EUR.


Jaunumi par projektu

17.05.2019.

Novembrī-aprīlī tika veikti MoS2 un WS2 savienojumu ab initio aprēķini.

Novembrī pēc recenzentu komentāriem tika pārstrādāts un atkārtoti iesniegts žurnālam “Radiation Physics and Chemistry” raksts: Dmitry Bocharov, Janis Timoshenko, Andris Anspoks, Aleksandr Kalinko, Alexei Kuzmin, Matthias Krack, “Interpretation of the Cu K-edge EXAFS spectra of Cu3N using ab initio molecular dynamics”. Raksts ir pieņemts publicēšanai (https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2018.12.020).

Novembrī-aprīlī tika gatavots raksts D. Bocharov, M. Krack, Yu. Rafalskij, A. Kuzmin, J. Purans, “Ab initio molecular dynamics calculations of ScF3 temperature dependent structural properties” žurnālam “Computational Materials Science”.

No 28.01. līdz 8.02. notika brauciens uz Paula Šērera institūtu, Šveice. Šīs mobilitātes laikā ar Šveices partneru Dr. M. Kraku (Krack) tika apspriesti ScF3 savienojumu aprēķinu rezultāti, kā arī sastadīts sadarbības aktivitāšu plāns tupmākajiem mēnešiem. Tika uzsākta raksta P. Žguns, D. Bocharov, S. Piskunov, A. Kuzmin, J. Purans, „Quantum chemistry calculations on ScF3 lattice dynamics” gatavošana.

Februārī ikgadēja LU CFI konferencē tika prezentēts mutiskais referāts D. Bocharov, J. Timoshenko, A. Anspoks, A. Kalinko, A. Kuzmin, M. Krack. "Ab initio molecular dynamics calculations of Cu3N temperature dependent structural properties". Abstract: p. 53.

No 9.03. līdz 17.03. tika apmeklēta Sanktpēterburgas Kodolfizikas Institūta 53. Kondensētās vides ziemas skolā, prezentēts referāts Dmitry Bocharov, Janis Timoshenko, Andris Anspoks, Aleksandr Kalinko, Alexei Kuzmin, Matthias Krack, „Ab initio molecular dynamics calculations of Cu3N temperature dependent structural properties”.

No 18.03. līdz 27.03. mobilitātes ietvaros tika apmeklēta Duisburgas-Esenes Universitāte. Komandējuma laikā ar Prof. E. Sporu (Spohr) tika apspriesti TiO2 aprēķinu rezultāti, sagatavots raksta „Validation of 2D constrained models for TiO2 nanotubes over a broad range of diameters” plāns, kā arī tika apspriestas sadarbības aktivitātes projekta 1.1.1.2/VIAA/l/16/147 ietvaros.

No 08.04. līdz 12.04. notika brauciens uz Paula Šērera institūtu, Šveice. Mobilitātes laikā tika apspriesti ScF3 un WS2 aprēķinu rezultāti, kā arī tika veikta CP2K programmatūras instalācija LASC un MARCONI superdatoros.

17.04. akcijas „Atpakaļ uz skolu / Atpakaļ uz universitāti 2019" ietvaros notika vizīte uz J.G. Herdera Rīgas Grīziņkalna vidusskolu, kuras laika D.Bočarovs pastāstīja par zinātni un ES projektiem 65 skolēniem no 3 klasēm.

Tika nopublicēts raksts Dmitry Bocharov, Yuri Rafalskij, Matthias Krack, Mara Putnina and Alexei Kuzmin, Negative thermal expansion of ScF3: first principles vs empirical molecular dynamics. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 503 (2019) 012001.


Jaunumi par projektu

05.10.2018.

Jūlijā tika nopublicēts raksts D. Bocharov, S. Piskunov, Yu.F. Zhukovskii, and R.A. Evarestov. Ab initio calculations on the electronic structure and photocatalytic properties of two-dimensional WS2 (0001) nanolayers of varying thickness. Phys. Status Solidi RRL, 2018, 12, 1800253 (pp. 1-6). DOI: 10.1002/pssr.201800253, SNIP(2017)=1.017, IF(2017)=3.721. Šajā pētījumā ir veikti hibrīda DFT-LCAO aprēķini WS2 nanolapām, kurām ir stabila 2H c heksagonālā fāze ar biezumu no 1 līdz 40 monolapām (ML), izmantojot šim mērķim pielagotu hibrīda maiņas-korelācijas funkcionāli HSE06. Tika konstatēts, ka “tīras” WS2 nanolapas bez defektiem ir piemērotas fotokatalītiskajiem pielietojumiem, jo aizliegtās zonas platums atbilst redzamās gaismas diapazonam starp sarkano un violeto malu, savukārt valences zonas augšēja mala un vadīšanas zonas apakšēja mala ir pareizi izlīdzinātas attiecībā pret oksidēšanas un reducēšanas potenciālu. Mēs noskaidrojām, ka nanoslāņu aizliegtā zona samazinās, palielinot ML skaitu slāņveida WS2 2D struktūrā. Vislabākā saules enerģijas pārveides efektivitāte (15-18%) parasti tiek sasniegta pie aizliegtās zonas platuma 2,0-2,2 eV (redzamā spektra dzeltenais diapazons) 2 ML biezā stehiometriskajā WS2 (0001) nanolapā. WS2 nanoslāņi kā perspektīvs materiāls fotokatalizācijai neprasa leģēšanu vai vakanču izveidi, atšķīrībā no pārejas metālu oksīdu nanostruktūrām.

No 21.07.2018. līdz 27.07.2018. projekta vadītājs apmeklēja Krakovu (Polija), kur piedalījās starptautiskajā XAFS 2018 konferencē ar divām prezentācijām: “Interpretation of the Cu K-edge EXAFS spectra of Cu3N using ab initio molecular dynamics” (mutiskais referāts) un “Validation of ab initio molecular dynamics simulations of ZnO using the Zn K-edge EXAFS spectra” (stenda referāts)

No 02.10.2018. līdz 05.10.2018. projekta vadītājs piedalījās Rīgā notikušā starptautiskajā konferencē “Funkcionālie materiāli un nanotehnoloģijas” (FM&NT) ar stenda referātu: Dmitry Bocharov, Yuri Rafalskij, Matthias Krack, Mara Putnina and Alexei Kuzmin, Negative thermal expansion of ScF3: first principles vs empirical molecular dynamics“.

Jūlijā – oktobrī tika pabeigti un iesniegti recenzēšanai raksti: Dmitry Bocharov, Janis Timoshenko, Andris Anspoks, Aleksandr Kalinko, Alexei Kuzmin, Matthias Krack, “Interpretation of the Cu K-edge EXAFS spectra of Cu3N using ab initio molecular dynamics” (“Radiation Physics and Chemistry”) un Dmitry Bocharov, Yuri Rafalskij, Matthias Krack, Mara Putnina and Alexei Kuzmin, “Negative thermal expansion of ScF3: first principles vs empirical molecular dynamics“ (“IOP Conference Series: Materials Science and Engineering”).


Jaunumi par projektu

13.07.2018.

Projekta pirmajos trīs mēnešos izmantojot CP2K programmatūru tika veikti sistemātiskie ab initio molekulāras dinamikas aprēķini Cu3N un ZnO savienojumu tilpumam, kā arī tika veikti testa DFT un ab initio molekulāras dinamikas aprēķini WS2 un MoS2 savienojumiem tilpuma fāzē. Kopa ar Šveices partneru Dr. M. Krack (Paul Scherrer Institute) CSCS Šveices Superdatora pavasara konkursam tika iesniegts projekts “First-principles molecular dynamics simulations of layered WS2 and MoS2 materials“ (konkursa rezultāti tiks paziņoti 2018.gada septembrī).

Ar CRYSTAL14 programmatūru un LCAO metodi tika veikti WS2 tilpuma un nanoslāņaino atomāro un elektronisko struktūru DFT aprēķini. Tika uzrakstīts un iesniegts recenzēšanai žurnālam “Physica status solidi” raksts “D. Bocharov, S. Piskunov, Yu.F. Zhukovskii, R. A. Evarestov, Ab initio calculations on the electronic structure and photocatalytic properties of two-dimensional WS2 (0001) nanolayers of varying thickness”.

13.05.-18.05.2018. projekta autors piedalījās zinātniskajā sapulcē par fotokatalitiskajiem procesiem cietajās vielās, nanostruktūras un nanocaurulēs Maskavā (N.S. Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry). Komandējuma laikā ar partneru E. Šporu (The University of Duisburg-Essen) tika apspriesta projektu WATERSPLIT un pēcdoktoranturas projekta 1.1.1.2/VIAA/l/16/147 sinerģija.

No 25.06. līdz 3.07. notika pirmā mobilitāte – brauciens uz Paula Šerera institūtu Šveicē. Mobilitātes laikā ar Šveices partneru Dr. M. Krack tika apspriesti ScF3, Cu3N, UO2 un ZnO savienojumu aprēķinu rezultāti, kā arī sastādīts sadarbības aktivitāšu plāns turpmākajiem mēnešiem.

5. aprīlī projekta vadītājs uzstājas Latvijas Radio 4 ēterā ar populārzinātnisko sarunu par zinātni un projekta aktivitātēm: http://lr4.lsm.lv/lv/raksts/priroda-veschey/smena-paradigmi-sovremennoy-latviyskoy-nauki-teorija-i-praktika.a101981/