МНОГОМАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИЯХ И ОБРАЗОВАНИИ

Предсказательное моделирование – это необходимый инструмент для нанотехнологий. Моделирование в нанотехнологиях позволяет не только значительно сократить расходы на дорогостоящие экспериментальные исследования и измерения, но зачастую получить данные, которые вообще невозможно получить экспериментально

Михаил АЛФИМОВ

Наноматериалы и наноустройства характеризуются многокомпонентностью и сложной иерархической организацией, охватывающей очень широкий диапазон пространственных и временных масштабов. Для них отсутствует полное математическое описание, вследствие чего невозможна алгоритмизация их поведения. Поэтому для предсказания макроскопических (потребительских) свойств наноструктурированных объектов требуется иерархический, т.е. многомасштабный подход.

• В результате работ Центра фотохимии РАН с партнерами по Государственному контракту № 02.523.11.3014 в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 гг.» создана платформа многомасштабного моделирования и виртуального проектирования наноструктурированных материалов.

Платформа интегрирует иерархию моделей и методов субнано-, нано-, микро- и макромасштабных уровней для решения задачи виртуального проектирования хемосенсорных материалов. Разработанный инструментарий компьютерного моделирования включает использование квантово-химических методов, методов молекулярной динамики, алгоритмов упаковки сфер и частиц сложной формы, моделей процессов самосборки ансамблей микро- и наночастиц в капле растворителя и процессов диффузии газа через мембрану, генераторов кристаллических решеток. Он позволяет рассчитывать такую важнейшую характеристику сенсорных материалов, как оптический отклик на сорбцию возможных аналитов в ансамбле наночастиц и многие другие их свойства. Все разработанные компьютерные программы представляют интерес не только в совокупности как реализация многомасштабного подхода, но и по отдельности.

• На основе созданной платформы совместно с компанией SIAMS разработан учебно-методический программный комплекс для вузов «Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях». Необходимую для учебного процесса визуализацию обеспечивает специальный модуль, позволяющий записывать и проигрывать высококачественные видеоролики вычислительных экспериментов, создавать и отображать 3D модели структур, интерактивные графики и гистограммы. Все эти возможности не требуют от пользователей покупки высокопроизводительных графических станций и установки прикладного программного обеспечения. В компьютерном классе, с домашнего компьютера, ноутбука, планшетного ПК или мобильного телефона можно открыть веб-браузер и получить доступ ко всем возможностям комплекса с использованием технологии облачных вычислений.

Разработанный комплекс является «открытой системой», он позволяет легко встраивать новые вычислительные модули, включать и создавать новые методики, проводить эксперименты централизованно, используя единое хранилище данных и общие интерфейсы, т.е. выступая в роли так называемой eScience-платформы. Разработки студентов, аспирантов и сотрудников кафедр, накапливающиеся в учебно-исследовательском процессе, могут упорядоченно храниться в специально сконфигурированной среде, всегда готовые к использованию и, при желании, доступные через Интернет в любой точке земного шара. Системная методология, лежащая в основе продукта, изначально задает правильное направление разработки новых компьютерных моделей, повышая качество конечного программного продукта, и экономит время, которое обычно тратится на интерфейсы и базы данных.

.

• На сегодняшний день учебно-методический программный комплекс «Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях» функционирует в Центре фотохимии РАН, Санкт-Петербургском государственном горном университете, Томском политехническом университете и Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. Ведутся переговоры по поводу поставки комплекса в другие вузы национальной нанотехнологической сети.

Для желающих ознакомиться с возможностями комплекса открыт бесплатный доступ к интернет-ресурсу nanoModel.ru. Подготовка научных и инженерных кадров в области нанотехнологий требует не только оснащения лабораторий дорогостоящим оборудованием, мотивации молодежи и развитой межвузовской инфраструктуры, но и существенного изменения модели мышления студентов в сторону одновременного осмысления явлений природы на разных масштабных уровнях. Поэтому многомасштабное моделирование сегодня является одним из немногих эффективных средств научных исследований наноматериалов, нанопроцессов и наноустройств, т.е. всего того, что составляет предметную базу нанотехнологий.

С учебно-методическим комплексом и платформой многомасштабного моделирования и виртуального проектирования наноструктурированных материалов можно ознакомиться на совместном стенде Центра фотохимии РАН и SIAMS на Международном форуме по нанотехнологиям RUSNANOTECH-2011, 26–28 октября 2011 г., Центральный Выставочный Комплекс «Экспоцентр», павильон «ФОРУМ», сектор F9–3.

Михаил АЛФИМОВ, директор Центра фотохимии РАН, академик

http://www.sovetnikprezidenta.ru/…anotech.html