Mājas lapa: www1.cfi.lu.lv/teor/ Laboratorijā strādā 18 darbinieki:

1. Teorētiskās fizikas un datormodelēšanas laboratorijas (nodaļas?) aktivitātēs 2011. gadāJevgenijs Kotomins CFI prezentācija

2. Mājas lapa:http://www1.cfi.lu.lv/teor/Laboratorijā strādā 18 darbinieki: • LZA īstenais loceklis, 3 Dr Habil. Phys., 8 Dr phys., • 2 doktoranti (aizstāvēšana 2012. un 2013.g.) • 3 Mag., 1 Bak. • Pēdējo 10 gadu laikā zinātnisko darbinieku (ar doktora grādu) skaits laboratorijā ir divkāršojies, 4 doktoranti aizstāvējās ārzemēs un atgriezās laboratorijā • Sadarbība ar Kazahijas Eurāzijas Universitāti Astanā,doktoranti un zinātnieki regulāri stažējas laboratorijā. CFI prezentācija

3. Publikāciju un konferenču referātu skaits: • 2009 28 73 • 2010 26 67 • 2011 28+ 73+ CFI prezentācija

4. Starptautiskā sadarbība • ASV:• University of Maryland, USA (Institute for Research in Electronics and Applied Physics)• Northwestern University, Evanston, Illinois, USA (Materials Research Scientific and Engineering Center, MRSEC) • Izraēla:• Ben-Gurion University of the Negev, Beer-Sheva, Israel (1. Department of Materials Engineering, 2. Department of Physics, The Condensed-Matter Theory Group) • Japāna:• University of Fukui, Japan (Research Center for Development of Far-Infrared Region) • Krievija:• St. Petersburg State University, Petrodvorets, St. Petersburg, Russian Federation (Faculty of Chemistry, Department of Quantum Chemistry and Chemical Physics) • Lielbritānija:• Imperial College London, UK (Atomistic Simulation Group) • Lietuva:• Semiconductor Physics Institute, Vilnius, Lithuania (Phase Transition Theory Group) • Rumānija:• University of Craiova, Craiova, Romania (Department of Applied Mathematics, Association Euratom-Mec) • Somija:• Helsinki University of Technology, Espoo, Finland (Association Euratom-Tekes) CFI prezentācija

5. Vācija: • Max Planck Institut für Festkörperforschung, Stuttgart, Germany (Physikalische Festkörperchemie)• Max Planck Institut für Plasmaphysik, Garching, Germany (Association Euratom-IPP)• Forschungszentrum Karlsrue, Germany (1. European Commission JRC Institute for Transuranium Elements, 2. Institut für Materialforschung I, Association Euratom-FZK)• Universität Duisburg-Essen, Essen, Germany (Lehrstuhl für Theoretische Chemie)• RWTH Aachen University, Aachen, Germany (Department of Physics)• Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig, German (Department of Electrical Quantum Metrology)• Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, München, Germany (Department of Physics) CFI prezentācija

6. Galvenie pētniecības virzieni:1. Bimolekulāro reakciju kinētika un pašorganizācija kondensētās vidēs (V.Kuzovkovs)2. Atomistiskā datormodelēšana ideāliem un defektīviem kristāliskiem tilpumiem (3D), virsmām (2D) un nanostruktūrām (1D) (J.Z’ukovskijs) ieskaitot interfeisus starp dažādām 2D un 1D sistēmām3. Teorētiskā plazmas fizika (O.Dumbrajs) CFI prezentācija

7. 1.TEORĒTISKĀ PLAZMAS FIZIKA • Mēs strādājam pie divām tēmām (EURATOM): • (a) Žirotronu pilnveidošana jauniem kodoltermiskiem reaktoriem – modu konkurences un stohastisko procesu pētījumi lielu-jaudu, augstu-frekvenču žirotronos, kuri domāti ITER. Žirotroni ir mikroviļņu avoti, kuru darbība balstās uz statiskā magnētiskā laukā oscilējošu elektronu stimulēto ciklotronu radiāciju. Tagad ir pieejamas žirotronu ierīces, kuras ģenerē par dažām kārtām lielāku jaudu milimetru viļņu diapazonā nekā klasiskās mikroviļņu lampas un kuras strādā pie augstākām frekvencēm nekā citu veidu lampas. Žirotronu oscilatoriem ir daudz pielietojumu, ieskaitot tehnoloģiskos procesus, atmosfēras zondēšanu, ozona saglabāšanu, mākslīgo jonosfēras spoguli, augstas izšķirtspējas elektronu spinu rezonanses spektrosokopiju, kodolu magnētiskās rezonanses spektroskopiju, u.c. Galvenais jaudīgo žirotronu pielietojums ir elektronu ciklotronu rezonanses plazmas uzkarsēšana kodoltermiskajos reaktoros – tokamakos.  CFI prezentācija

8. (b) Magnētisko lauku līniju stohastizācija plazmā, kā iespējamais cēlonis ātram atkalsavienošanās procesam bieži pārtraukto neoklasisko pārrauto modu režīmā un zobveida sabrukumam ASEDEX Upgrade tokamakā.Svarīgs kodolsintēzes pētījumu mērķis magnētiski ierobežotā plazmā ir palielināt sasniedzamo plazmas spiedienu. Tokamakos neoklasiskās pārrautās modas (NTM), t.i., magnētiskās salas ar m poloidālam un n toroidālām modām kļūst nestabilas, jo salu iekšienē zūd ‘zābakšņoru’ veida strāva, ir viena no galvenajām problēmām, jo tās tiek uzskatītas par visspēcīgāko ierobežojumu lielu plazmas spiedienu iegūšanai parastajos tokamaka scenārijos. Šādās nestabilitātēs iesaistīta ievērojama plazmas pārnese, kuru apraksta magnetohidrodinamikas ietvaros. CFI prezentācija

9. ITER reaktors CFI prezentācija

10. 2. BIMOLEKULĀRĀS REAKCIJAS UN PAŠORGANIZĀCIJA KONDENSĒTĀS VIDĒS Viens no mūsu darbības galvenajiem virzieniem ir daudzdaļiņu (kooperatīvo) efektu pētīšana bimolekulāro reakciju kinētikā kondensētās vidēs, ieskaitot radiācijas radītos defektus. Lielākā daļa no šiem pētījumiem balstās uz jaunu daudzdaļiņu blīvuma formālismu, kurš aprakstīts mūsu grāmatā [E.A. Kotomin and V.N. Kuzovkov, Modern aspects of diffusion-controlled reactions (Amsterdam, Elsevier, 1996)]. CFI prezentācija

11. CFI prezentācija

12. Virsmas-ierosinātās reakcijas ir ļoti svarīgas heterogēnajā katalīzē. Mēs pētām šīs reakcijas, liekot uzsvaru uz tādām fundamentālām parādībām, kā struktūru veidošanās, reaģentu pašorganizācija, regulāras un neregulāras reaģentu koncentrāciju oscilācijas, kā arī haotiska uzvedība vienkāršu reakciju gadījumā uz kristāliskām virsmām. Īpašu uzmanību mēs veltam difūzijas problēmai heterogēnā vidē, piem. kompozītos vai apstarotos materiālos.Sadarbība ar Michigan Technological Institute un Northwestern University, USA ar pielitojumiem bioķīmijā CFI prezentācija

13. 3. Viena no laboratorijas galvenajām aktivitātēm ir vērsta uz daudzu jauno progresīvo tehnoloģisko materiālu liela mēroga paralēlo modelēšanu, optimizējot to īpašības plašam pielietojumu lokam Teorētiskā materiālzinātne CFI prezentācija

14. Sadarbībā ar 15 Latvijas/starptautiskām eksperimentātoru grupām, mēs strādājam pie daudzu ierīču un funkcionālo materiālu efektivitātes uzlabošanas, galvenokārt pielietojumiem enerģētikā: CFI prezentācija

15. --cietvielu oksīdu kurināmās šūnas (kurināmie elementi) (fuel cells),kurās iespējama ekoloģiski tīra un augsti efektīva ķīmiskās enerģijas konversija elektriskajā,-- augstas kapacitātes litija baterijas, -- jauna veida UN, UC kodola degvielas nākamās IV paaudzes kodolskaldīšanas reaktoriem, --jauni konstrukcijas materiāli kodolsintēzes tokamaka reaktoriem (tēraudu materiāli stiprināti ar Y2O3 nanoklasteriem), --keramiskās membrānas gāzu sadalīšanai ogļu termiskajās stacijās CFI prezentācija

16. “Sustainable Energy - without hot air”by David MacKayhttp://www.withouthotair.com/download.html CFI prezentācija

17. Īpaša uzmanība tiek pievērsta defektu un virsmas efektiem, kuri ir svarīgi, veidojot radiācijas izturīgus materiālus (bolometri radiācijas vidē) un nanomateriālus (piem., Li baterijas). CFI prezentācija

18. Mūsu laboratorijas aktivitātes atbalsta: • 4 Eiropas Komisijas septītā Ietvaru programmas (EK FP7) projekti: • 1. Nanostructured Surface Activated ultra-thin Oxygen Transport Membrane (NASA-OTM) • Nanostrukturētās virsmas aktivētās super-plānās skābekļa transporta membrānas-- keramiskās membrānas gāzu sadalīšanai ogļu termiskajās stacijās (zero CO emission concept); cietvielu oksīdu kurināmās šūnas (fuel cells), kuros iespējama ekoloģiski tīra un augsti efektīva ķīmiskās enerģijas konversija elektriskajā • 2. Basic Research for Innovative Fuel Design for GEN IV systems (F-BRIDGE) • Fundamentālie pētījumi priekš degvielu inovatīva projekta GEN IV sistēmām- kodoldegviela nākamās IV paaudzes kodolskaldīšanas reaktoriem CFI prezentācija

19. 3. Carbon nAnotube Technology for High-speed nExt-geneRation nanoInterconNEcts (CATHERINE)Oglekļa nanocauruļu tehnoloģija ātrdarbīgu nākošās paaudzes nanosavienojumu izstrādei mikro-, nanoelektronika • 4. Nano-carbon based components and materials for high-frequency electronics (CACOMEL)mikro-, nanoelektronika CFI prezentācija

20. 3 darblīgumi ar EK Transuranu Elementu Institūtu (ITU, Vācija)kodoldegvielas nākamās IV paaudzes kodolskaldīšanas reaktoru datormodelēšana • ERAF (Eiropas reģionālās attīstības fonds): sadarbība ar Sidrabes firmu (Rīga) INOVATĪVI STIKLU PĀRKLĀJUMI caurspīdīgu vadošu oksīdu (TCO) pārklājumi mikroelektronikai • EURATOM Latvija • ESF projekts (“Nanomateriāli”) (G.Zvejnieks) • ERA-NET projekts “MATERA” • Funkcionālie materiāli rezistīvai pārslēgšanas jaunas ģenerācijas datoratmiņai • 3 VPP projekti (Materiālzinātne, Enerģētika, Sadarbība) • 3 IZM projekti • LZP grants CFI prezentācija

21. Galvenā metode: Cietvielu kvantu ķīmija1998 g. – Nobela prēmija kvantu ķīmijā saņēma J.Pople un W.Kohn par divu efektīvu fundamentālu metožu izstrādāšanu molekulu modelēšanā: atomu orbitāļu lineārās kombinācijas apvienošanu (LCAO) ar Hartrī-Foka (HF) pieeju un blīvuma funkcionāļu teoriju (DFT).Molekulu kvantu mehānikas metožu piemērošana cietvielām, defektiem un virsmām ir netriviāla: periodiskie robežnosacījumi ideālās cietvielās. CFI prezentācija

22. Superšūnas modelis: izmanto paplašināto elementāršūnu, kur defekti periodiski atkārtojasINDO datorprogramma, kura izveidota Rīgā 1980-1990 sadarbībā ar A.SlugeruAb initio datorprogrammas mūsdienās (VASP, ABINIT, CRYSTAL):- Paredz funkcionālo materiālu atomāro, elektronu struktūru, optiskās, magnētiskās un mehāniskās īpašības bez a apriori pieņēmumiem.- Efektīvi HF-DFT hibrīdo metožu pētījumi un pielietojumi (B3LYP, B3PW) CFI prezentācija

23. Paralēlās liela mēroga modelēšanas ar 300-400 atomu superšūnāmtiek veiktas uz Latvijas Superdatora (LASC) CFI: http://213.175.108.87.Mūsu laboratorija ir vadošā Baltijas reģionā funkcionālo materiālu atomistiskā ab initio modelēšanā,un defektu/virsmu modelēšanā Eiropā CFI prezentācija

24. Teorētiskās modelēšanas nepieciešamība:Datoreksperimenti bieži ir daudz lētāki nekā reālie eksperimenti, īpaši radioaktīviem kodolmateriāliem un kompleksiem oksīdu šķīdumiem, piem., (Ba,Sr)(Fe,Co)O2.5Modelēšana var ieteikt jaunus materiālus turpmākai analīzei/sintēzeiAtomistiskā datormodelēšana atšķir tilpuma un virsmas efektus, kuri eksperimentā nav atdalāmiMēs varam aprēķināt dažādu reakcijas soļu ātrumus un atrast reakciju ierobežojošo soli, kas ļauj ieteikt metodes materiālu un ierīču uzlabošanai CFI prezentācija

25. Piemērs: cietvielu oksīda kurināmā elementa modelēšanaIerīce sastāv no katoda (piem. LaMnO3), elektrolīta (ZrO2:Y) un anoda (Ni). O2 molekulas disociē uz katoda, pārvēršas par 2 O(2-) joniem un pāriet uz anodu. Ekoloģiski tīrā reakcijā O+H2=H2O rodas ūdens un elektriskā strāva. Skābekļa redukcijas reakcija O2 + 4e- = 2 O(2-) izskatās vienkārša, bet tās efektivitāte ir atkarīga no eksperimentāli grūti detektējamām atomistiskām/mehāniskām detaļām CFI prezentācija

26. Ekoloģiski tīra un augsti efektīva (70%) ķīmiskās enerģijas konversija elektriskajā CFI prezentācija

27. Bez mikroskopiskā dipola momenta CFI prezentācija

28. -- Optimāla vieta skābekļa adsorbcijai (uz Mn, O, etc.)-- O2 disociācijas enerģētika,-- O un vakances migrācija uz virsmas -- O iespiešanās katoda virsmā -- reakciju ierobežojošie soļi (rate determining steps) -- dažādas virsmas: (100) [MnO2 vai LaO], (110), (111). CFI prezentācija

29. Mēs veicām liela mēroga pirmo-principu aprēķinus un atradām, ka adsorbētam O- jonam ir liela migrācijas aktivācijas enerģija (2 eV) un tas ir mazkustīgs salīdzinājumā ar O vakanci, kurai ir daudz mazāka aktivācijas enerģija, 0.6 eV. Tādējādi, O vakances kontrolē O un vakances sadursmi un O- jonu iespiešanos katodā. CFI prezentācija

30. Skābekļa atomu difūzija [100] virzienā(Mn-O-Mn) Mn “tilta pozīcijā?” O 0.40 eV 1.6 eV TS Migrācijas enerģija ir 2 eV: samērā mazkustīgas daļiņas CFI prezentācija

31. Skābekļa vakance • segregācija uz virsmas • maza difūzijas barjera *EksperimentāliEdiff(SrTiO3) = 0.86 eV I. Denk, W. Munch, and J. Maier, Journal of the American Ceramic Society 78, 3265 (1995) CFI prezentācija

32. Iespējamie skābekļa iespiešanās mehānismi --Reakciju-limitējošais solis ir adsorbētā molekulārā skābekļa (superoksīds O2- vai peroksīds O2 (2-) ) satikšanās ar virsmas skābekļa vakanci --Vakanču koncentrācija un mobilitāte ir svarīga ātrai skābekļa iespiešanai/inkorporācijai: BSCF>LSM>LMO. CFI prezentācija

33. Svarīgākie rezultāti1. Kvantu ķīmisko metožu pielietojums detalizētam funkcionālo materiālu īpašību aprēķinam, uzsverot virsmas un defektu ietekmi2. Paredzam reakciju limitējošo soli cietvielu oksīda kurināmā elementos un sniedzam rekomendācijas to efektivitātes uzlabošanai3. Interfeisa mehānisms Li papildus akumulācijai baterijās  augstas kapacitātes ierīces4. Paredzam metālu elektrodu optimālo augšanas veidu uz oksīdiem ar virsmas defektiem nanokondensatori nanoelektronikai5. Paredzam UN kodola degvielas mehāniskās īpašības pašapstarojoties reaktorā CFI prezentācija