Teoriniai titano dioksido nanodalelių geometrinės struktūros evoliucijos tyrimai

Abstract

Mažos titano dioksido nanodalelės, (TiO2)n n=1-60, pasižymi kompleksiniais potencinės energijos paviršiais su daugybe lokalių minimumų, ir esant normalioms sąlygoms kiekviena nanodalelė turi keletą statistiškai reikšmingų konformerų. Šių konformerų identifikavimas yra sudėtinga problema, kuri reikalauja skaitmeniškai brangių skaičiavimų naudojant elektroninės struktūros metodus suporuotus su efektyviu potencinės energijos paviršių analizės algoritmu. Iki šiol, dėl didelių skaičiavimų kaštų buvo atlikta tik (TiO2)n n=1-15 nanodalelių mažiausios energijos konformerų paieška naudojant tankio funkcionalo teorijos (DFT) metodus. Šiame pranešime pristatysime mažiausios energijos konformerų paieškos rezultatus gautus (TiO2)n n=1-60 nanodalelėms. Šis tyrimas buvo atliktas panaudojant autorių sukurtą mažiausios energijos konformerų identifikavimo (TG-OPT) metodą, kuriame nanodalelės elektroninė struktūra aprašoma pusiau empiriniu GFN2- xTB metodu [1] ir potencinės energijos paviršius analizuojamas genetiniu medžio augimo algoritmu su panašumo indekso kontrolės funkcija. TG-OPT metodo tikslumas bei efektyvumas buvo įvertintas palyginant šiuo bei DFT metodais gautas konformerų geometrines struktūras (TiO2)n n=1-15 nanodalelėms. Mažiausioms (TiO2)n n=1-5 nanodalelėms TG-OPT metodas leidžia pasiekti geometrinių parametrų tikslumą panašų arba geresnį už įvairius DFT metodus. Didesnėms (TiO2)n n=6-15 nanodalelėms TG-OPT metodu nustatytos žemiausios energijos konformerų geometrinės struktūros skiriasi nuo konformerų struktūrų gautų DFT metodais (žr. pav. 1) bei Jakarto panašumo indeksai tarp šių struktūrų svyruoja nuo 0.2 iki 0.7. Detalesnė geometrinių skirtumų analizė tarp konformerų struktūrų gautų TG-OPT bei DFT metodais rodo, kad TG-OPT metodas nustato Ti-O cheminių ryšių ilgius 0.05-0.27 Å trumpesnius už nustatytus DFT metodais, bei nustato kampus tarp dviejų Ti-O cheminių ryšių 5.1- 10.8o didesnius už nustatytus DFT metodais [...].