Нековалентное взаимодействие атомов бора и азота

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Актуальность и цели. Расчет взаимодействия между атомами бора и азота интересен с точки зрения прогнозирования физических свойств и создания новых диэлектрических материалов и безуглеродных наноматериалов. Цель работы заключается в расчете нековалентного (дисперсионного) взаимодействия для пар атомов B–B, N–N и B–N из первых квантово-механических принципов. Данный расчет на практике проводится впервые. Материалы и методы. Используется теория функционала плотности в приближении электронного газа. При этом учитываются кулоновский, кинетический, обменный и корреляционный вклады в энергию взаимодействия. Электронная плотность задается с учетом оболочечной структуры атомов в приближении Рутаана – Хартри – Фока. Для вычисления несобственных интегралов используется оригинальный численный алгоритм, основанный на применении квадратурных формул и технологии распараллеливания вычислений CUDA. Результаты. В широком диапазоне межатомных расстояний построены функции радиальных электронных плотностей и соответствующие потенциальные кривые, рассчитаны параметры потенциальных ям и константы дисперсионного взаимодействия, проверена корректность эмпирических правил Лоренца – Бертло комбинирования параметров потенциалов. Выводы. Полученные значения констант дисперсионного взаимодействия для гомоатомных пар согласуются с известными из литературы результатами. С помощью первопринципных расчетов можно определять параметры модельных парных потенциалов, в частности потенциала Сазерленда. Показано, что для нековалентного взаимодействия атомов бора и азота правила Лоренца – Бертло не работают.

Об авторах

Аслан Артурович Сокуров

Институт прикладной математики и автоматизации – филиал Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный центр «Кабардино-Балкарский научный центр Российской академии наук»

Email: isokuroff@mail.ru

кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией автоматизации измерений

(Россия, г. Нальчик, ул. Шортанова, 89А)

Серго Шотович Рехвиашвили

Институт прикладной математики и автоматизации – филиал Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный центр «Кабардино-Балкарский научный центр Российской академии наук»

Автор, ответственный за переписку.
Email: rsergo@mail.ru

доктор физико-математических наук, заведующий отделом теоретической и математической физики

(Россия, г. Нальчик, ул. Шортанова, 89А)

Список литературы

  1. Перевислов С. Н. Структура, свойства и области применения графитоподобного гексагонального нитрида бора // Новые огнеупоры. 2019. № 6. С. 35.
  2. Naclerio A. E., Kidambi P. R. A review of scalable hexagonal boron nitride (h-BN) synthesis for present and future applications // Advanced Material. 2022. Vol. 35, № 6. P. 2207374. doi: 10.1002/adma.202207374
  3. Ogawa S., Fukushima S., Shimatani M. Hexagonal boron nitride for photonic device applications: A review // Materials. 2023. Vol. 16, № 5. P. 2005. doi: 10.3390/ma16052005
  4. Knobloch T., Illarionov Y. Y., Ducry F. [et al.]. The performance limits of hexagonal boron nitride as an insulator for scaled CMOS devices based on two-dimensional materials // Nature Electronics. 2021. Vol. 4. P. 98. doi: 10.1038/s41928-020-00529-x
  5. Lorenz M., Agreiter J., Smith A. M., Bondybey V. E. Electronic structure of diatomic boron nitride // Journal of Chemical Physics. 1996. Vol. 104, № 8. P. 3143.
  6. Acharya A., Sharma S., Liu, X. [et al.]. A review on van der Waals boron nitride quantum dots // Journal of Carbon Research. 2021. Vol. 7. P. 35. doi: 10.3390/c7020035
  7. Cheng-Rong Hsing, Ching Cheng, Jyh-Pin Chou [et al.]. Van der Waals interaction in a boron nitride bilayer // New Journal of Physics. 2014. Vol. 16. P. 113015. doi: 10.1088/1367-2630/16/11/113015
  8. Vuong T. Q. P., Liu S., Van der Lee A. [et al.]. Isotope engineering of van der Waals interactions in hexagonal boron nitride // Nature Materials. 2018. Vol. 17. P. 152. doi: 10.1038/NMAT5048
  9. Hongping Li, Wendi Fu, Ke Xu [et al.]. The electronic structure and physicochemical property of boron nitridene // Journal of Molecular Graphics and Modelling. 2020. Vol. 94. P. 107475. doi: 10.1016/j.jmgm.2019.107475
  10. Zalizniak V. E., Zolotov O. A., Sidorov K. A. Interatomic potential for metal diborides // Molecular Simulation. 2021. Vol. 47, № 12. P. 982. doi: 10.1080/08927022.2021.19359
  11. Kochaev A., Katin K., Maslov M., Singh S. Covalent and van der Waals interactions in a vertical heterostructure composed of boron and carbon // Physical Review B. 2022. Vol. 105. P. 235444. doi: 10.1103/PhysRevB.105.235444
  12. Chkhartishvili L. Relative stability of boron planar clusters in diatomic molecular model // Molecules. 2022. Vol. 27. P. 1469. doi: 10.3390/molecules27051469
  13. Chkhartishvili L. Construction of semiclassical interatomic B–B pair potential to characterize all-boron nanomaterials // Characterization and Application of Nanomaterials. 2023. Vol. 6, № 1. P. 1. doi: 10.24294/can.v6i1.1852
  14. Icli B., Sheepwash E., Riis-Johannessen T. [et al.]. Dative boron–nitrogen bonds in structural supramolecular chemistry: Multicomponent assembly of prismatic organic cages // Chemical Science. 2011. Vol. 2. P. 1719. doi: 10.1039/C1SC00320H
  15. Chen B., Jäkle F. Boron-nitrogen Lewis pairs in the assembly of supramolecular macrocycles, molecular cages, polymers, and 3D materials // Angewandte Chemie International Edition. 2024. Vol. 63, № 3. P. e202313379. doi: 10.1002/anie.202313379
  16. Gordon R. G., Kim Y. S. Theory for the forces between closed-shell atoms and molecule // Journal of Chemical Physics. 1972. Vol. 56. P. 3122. doi: 10.1063/1.1677649
  17. Waldman M., Gordon R. G. Scaled electron gas approximation for intermolecular forces // Journal of Chemical Physics. 1972. Vol. 71. P.1325. doi: 10.1063/1.438433
  18. Clementi E., Roetti C. Atomic data and nuclear data tables. 1974. Vol. 14, № 3-4. P. 177. doi: 10.1016/S0092-640X(74)80016-1
  19. Koga T. Analytical Hartree-Fock electron densities for atoms He through Lr // Theoretica Chimica Acta. 1997. Vol. 95. P. 113. doi: 10.1007/BF02341696
  20. Сокуров А. А. Вычисление интегралов в теории функционала электронной плотности в приближении электронного газа с использованием технологии CUDA // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 10. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2024. Т. 20, № 3. С. 335. doi: 10.21638/spbu10.2024.303
  21. Pyykkö P., Atsumi M. Molecular single-bond covalent radii for elements 1–118 // Chemistry: A European Journal. 2009. Vol. 15. P. 186. doi: 10.1002/chem.200800987
  22. Каплан И. Г. Межмолекулярные взаимодействия. Физическая интерпретация, компьютерные расчеты и модельные потенциалы. М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. 397 с.
  23. Рехвиашвили С. Ш., Бухурова М. М. Адсорбционное взаимодействие серебряных наночастиц с кремниевой подложкой // Физика твердого тела. 2025. Т. 67, № 1. С. 175. doi: 10.61011/FTT.2025.01.59785.224
  24. Бараш Ю. С. Силы Ван-Дер-Ваальса. М. : Наука, 1988. 344 с.
  25. Schwerdtfeger P., Nagle J. K. Table of static dipole polarizabilities of the neutral elements in the periodic table // Molecular Physics. 2019. Vol. 117, № 9-12. P. 1200.
  26. Chu X., Dalgarno A. Linear response time-dependent density functional theory for van der Waals coefficients // Journal of Chemical Physics. 2004. Vol. 121. P. 4083. doi: 10.1063/1.1779576
  27. Рит М. Наноконструирование в науке и технике. Введение в мир нанорасчета. Ижевск : Регулярная и хаотическая динамика, 2005. 160 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».