И. В. ДАВЫДОВ, А. И. ПОДЛИВАЕВ, Л. А. ОПЕНОВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
АНОМАЛЬНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ
МЕТАСТАБИЛЬНОГО ФУЛЛЕРЕНА С20
Представлены результаты исследования динамики и распада фуллерена С20 при различных температурах.
После открытия фуллерена С60 [1] резко возрос интерес к кластерам углерода, что обусловлено как их необычными физико-химическими свойствами, так и перспективой практического использования [2]. Самым маленьким из экспериментально наблюдавшихся на сегодняшний день “трехмерных” кластеров углерода является кластер С20 [3]. Он представляет собой наименьший из фуллеренов – сферообразных структур, на “поверхности” которых атомы углерода расположены в вершинах пятиугольников или шестиугольников. В фуллерене С20 присутствуют только пятиугольники.
В настоящей работе детально исследована динамика фуллерена С20 при различных температурах. Показано, что хотя этот “трехмерный” изомер и является метастабильным, его время жизни в нормальных условиях очень велико из-за большой величины потенциального барьера, отделяющего метастабильное состояние от атомной конфигурации с более низкой энергией.
Для определения энергии активации распада метастабильной конфигурации мы использовали метод молекулярной динамики с “transferable” потенциалом сильной связи (tight-binding molecular dynamics, TBMD [4]).
Мы выполнили моделирование “жизни” фуллерена C20 при различных начальных температурах T ионной подсистемы методом молекулярной динамики и тем самым определили энергию активации распада кластера, которая составляет Еa = (8 ± 1) эВ при температуре электронной подсистемы Tel = T и Еa = (7 ± 1) эВ при Tel = 0.
Высота потенциального барьера, препятствующего переходу системы из метастабильной конфигурации в состояние с более низкой энергией, рассчитывалась методом, использованным нами ранее в [5]. Он сводится к поиску седловых точек потенциальной энергии системы как функции координат всех атомов. На Рис. 1 представлены результаты расчета "потенциального рельефа" кластера C20 в окрестности метастабильной конфигурации фуллерена C20 (“клетки”).
Рис. 1. "Потенциальный рельеф" кластера C20 в окрестности метастабильной конфигурации фуллерена C20 (“клетки”). Цифры соответствуют различным конфигурациям: 1 – фуллерен ("клетка")
Главным результатом настоящей работы является демонстрация очень высокой термической устойчивости метастабильного фуллерена C20 (“клетки”) относительно перехода в равновесное состояние с более низкой полной энергией. Причина этого заключается в большой величине потенциального барьера, препятствующего распаду “клетки” C20 и, соответственно, большой величине энергии активации ее распада. Как следствие, время жизни “клетки” C20 даже при комнатной температуре макроскопически велико. Поэтому, если на определенном этапе синтеза “клетка” C20 формируется, то в дальнейшем она сохраняет свою химическую структуру.
Работа поддержана фондом CRDF, проект «НОЦ фундаментальных исследований материи в экстремальных состояниях», и ФЦП «Интеграция», проект № Б0049.
Список литературы
1. Kroto H. W., Heath J. R., O’Brien S. C., Curl R. F., Smalley R. E. // Nature. 1985. V.318, P.6042.
2. , // УФН. 1995. V.165. N9. P.977.
3. Prinzbach H., Weller A., Landenberger P., Wahl F., Worth J., Scott L. T., Gelmont M., Olevano D., B. von Issendorff // Nature.2000. V.407. N6800. P.60.
4. Xu C. H., Wang C. Z., Chan C. T., Ho K. M. // Phys. Rev. B. 1993. V.47. N15. P.9878.
5. Elesin V. F., Podlivaev A. I.,. Openov L. A // Phys. Low-Dim. Struct. 2000. V.11/12. P.91.
