08.11.2015

РНФ 14-43-00052

Разработка методов многомасштабного атомистического моделирования структуры и свойств сложных супрамолекулярных химических систем и функциональных органических материалов.

(2014-2016).

Продлен (2017-2018)

Краткая аннотация проекта:

Функциональные органические материалы широко используются в органической электронике, фотонике и сенсорике в качестве полупроводниковых, светопоглощающих, светоизлучающих и светочувствительных материалов в тонкоплёночных полевых транзисторах, фотовольтаических элементах, органических светодиодах, оптических хемосенсорах и других устройствах. Разработка новых и совершенствование уже известных функциональных органических материалов может не только существенно улучшить потребительские качества, но и привести к появлению новых поколений этих устройств, обладающих желаемыми свойствами. Как правило, функциональные органические материалы обладают полупроводниковыми свойствами и используются в виде аморфных тонких пленок. Их рабочие характеристики в значительной степени определяются структурной организацией на молекулярном уровне. Однако важнейшие структурные, электронные, фотофизические и фотохимические свойства этих материалов, а также соответствующие процессы далеко не всегда могут быть исследованы экспериментально на таком уровне. Кроме того, экспериментальные исследования, как правило, весьма дорогостоящи, а также требуют больших затрат времени, материальных и человеческих ресурсов. Эффективной альтернативой является использование методов компьютерного атомистического моделирования. При этом, структуру, основные свойства и элементарные процессы переноса заряда и возбуждения в таких системах моделируют, комбинируя статистическое описание микроструктуры материала методами молекулярной динамики с расчетами электронных свойств функциональных молекул методами квантовой химии и с описанием процессов переноса заряда и возбуждения в рамках подходящего варианта теории. Такой «многомасштабный» (или «многоуровневый») подход в принципе позволяет предсказывать свойства сложного материала на основе наиболее точного квантово-механического описания его молекулярных компонент с учетом эффектов локального окружения. Достоверность результатов подобного предсказательного моделирования обеспечивается (1) разработкой адекватных моделей сложной системы, (2) выбором наиболее надежных методов расчета изучаемого свойства данной молекулярной системы, (3) выбором и разработкой наиболее надежных методов учета влияния ближнего и дальнего окружения, (4) выбором и разработкой подходящего варианта теории переноса заряда или возбуждения. Для оценки достоверности получаемых результатов необходима также экспериментальная верификация. Настоящий проект посвящен детальной разработке методологии предсказательного моделирования функциональных органических материалов и ее верификации. С целью такой верификации предусмотрено исследование относительно малых супрамолекулярных систем, таких, как комплексы включения циклодекстрина и других кавитандов. Надежные экспериментальные структурные и спектральные данные (такие, как потенциалы ионизации, электронные спектры поглощения и испускания, колебательные спектры и другие) для них могут быть получены непосредственно, и, тем самым, достоверность получаемых расчетных результатов может быть проверена прямым сравнением с экспериментом. Для надежной обработки и анализа экспериментальных данных по комплексам включения в проекте предусмотрена также работа по моделированию соотношений «структура–свойство» с использованием методов хемоинформатики в применении к комплексам включения в гомогенном и гетерогенном окружении. В настоящее время имеется достаточно прочный фундамент для дальнейшего развития и совершенствования методов и подходов многомасштабного моделирования функциональных органических материалов. При этом остается еще очень большое число нерешенных, крайне актуальных научных проблем, решение которых обладает большой научной новизной. Одной из важнейших и пока еще не решенных проблем является молекулярная структура интерфейсов и электронные свойства молекул вблизи интерфейсов, которые во многом определяют эффективность работы органических и гибридных светоизлучающих и фотовольтаических устройств. Известно, например, что формирование частично упорядоченных слоев с предпочтительной ориентацией молекул в области интерфейсов существенно сказывается на эффективности работы всей системы. Поэтому одной из проблем, которые предполагается рассмотреть в предлагаемом проекте, является разработка моделей структуры и ее формирования в случае органико-органических и органико-неорганических интерфейсов, в частности, проблема образования частично упорядоченных структур в тонких пленках и на границах раздела. Здесь предполагается использовать алгоритм формирования тонких плёнок путём виртуального осаждения молекул из вакуума. В этой связи экспериментальные данные поверхностно-селективной нелинейной оптической спектроскопии будут использованы для прямого сравнения с результатами расчетов молекулярной ориентации, организации и электронных возбуждений на интерфейсах органических и гибридных фотовольтаических устройств. Следующей важной проблемой, которую предполагается рассмотреть в данном проекте, является совершенствование методик расчета электронных параметров и описания кинетических процессов в основном и возбужденных состояниях, в частности, процессов переноса заряда и возбуждения в аморфных органических материалах. Крайне важной проблемой является последовательный учет взаимодействия функциональной молекулы с ее локальным окружением. Здесь будут рассмотрены два подхода. Первый – это метод эффективных фрагментных потенциалов (ЭФП), разработанный Л. Слипченко, в котором молекулы ближайшего окружения представляются как сумма составляющих их (жестких) фрагментов, описываемых ЭФП, параметры которых находят на основе неэмпирическихквантовохимических расчетов. Второй — недавно предложенный в работах Е. Хейфеца метод молекулярной фрагментации с сопряженным замыканием и кулоновской коррекцией. Указанные выше проблемы предполагается рассмотреть и решить в настоящем проекте, что определяет его актуальность и научную новизну.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *