реферат. Реферат Воробьев М.О.. Реферат Преподаватель Т. В. Штанг (подпись, дата)
 Скачать 0.51 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» Физико-технологический институт Кафедра физических методов и приборов контроля качества ОЦЕНКА: __________ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАНОСТРУКТУР И НАНОМАТЕРИАЛОВ Реферат Преподаватель ________________ Т.В. Штанг (подпись, дата) Нормоконтролер ________________ Т.В. Штанг (подпись, дата) Студент гр. Фт-190009 ________________ М.О. Воробьев (подпись, дата) Екатеринбург 2019 ЗАДАНИЕ НА РЕФЕРАТСведения о реферате: 21с., 5 рис., 2 табл., 5 источников, 4 прил. Компьютерное моделирование наноструктур и наноматериалов. Объектом исследования является компьютерное моделирование наноструктур, разновидности, преимущества и применение. Целью реферативной работы является: изучение компьютерного моделирование для нанотехнологий, его применение и свойства. СОДЕРЖАНИЕЗАДАНИЕ НА РЕФЕРАТ 1 СОДЕРЖАНИЕ 2 Введение. 4 1.Компьютерное моделирование 5 1.1 О компьютерном моделировании 5 1.2 Преимущества компьютерного моделирования 6 1.3 Основные этапы компьютерного моделирования 7 2.Наноструктуры и наноматериалы 9 2.1 Определение и виды 9 2.2 Инструменты нанотехнологий. 10 3.Компьютерное моделирование наноструктур 11 3.1 Моделирование наноструктур 11 3.2 Визуализационное моделирование 13 3.3 Вычислительное моделирование 14 4.Преодоление проблемы массового производства наноструктур 17 Заключение 18 Приложение. 20 Список литературы: 22 Введение.Моделирование тех или иных ситуаций, задач или методик решения проблем на сегодняшний день актуально практически в любой отрасли науки и технологии. Не являются исключением и нанотехнологии. Полученные в результате моделирования данные позволяют исключить из числа перспективных материалов десятки типов предлагаемых новых полимеров (моделируемая система представляет собой прочный материал, пригодный для создания легких датчиков). Аналогичные методы можно применять для расчета растворимости, взаимодействия с поверхностью (адгезия) и газопроницаемости мембран (например, при их использовании с водородным топливом). Планируется провести моделирование полукристаллических материалов, нанокомпозитов со слоистыми силикатами и новейших композитов на основе органических и неорганических материалов. Оптимизация наноматериалов и наноустройств потребует исследования тысяч вариантов конструирования до получения конечного продукта. При моделировании свойств наноматериалов и наноустройств необходимо учитывать все разнообразие условий их эксплуатации и окружения, что, в свою очередь, требует изучения и моделирования их поведения в различных масштабах (молекулярный, нано-, мезо- и макроскопический масштабы) до начала производства и использования. Современные методы позволяют моделировать поведение устройства как единого объекта и численно оптимизировать связи между его компонентами и различными функциями, что дает возможность вносить в его работу важные улучшения, необходимые с технологической точки зрения. В настоящий момент уже существует ряд программных пакетов, облегчающих процесс моделирования и позволяющих наглядно представить себе возможные объекты наномира и даже подбирать вещества по участкам молекул для синтеза соединений с заданными свойствами. Компьютерное моделирование1.1 О компьютерном моделированииКомпьютерные модели стали обычным инструментом математического моделирования и применяются в физике, астрофизике, механике, химии, биологии, экономике, социологии, метеорологии, других науках и прикладных задачах в различных областях радиоэлектроники, машиностроения, автомобилестроения и проч. Компьютерные модели используются для получения новых знаний об объекте или для приближенной оценки поведения систем, слишком сложных для аналитического исследования. Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в силу их возможности проводить т. н. вычислительные эксперименты, в тех случаях, когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых или физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат. Формализованность компьютерных моделей позволяет определить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала (или целого класса объектов), в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения её параметров и начальных условий. Построение компьютерной модели базируется на абстрагировании от конкретной природы явлений или изучаемого объекта-оригинала и состоит из двух этапов — сначала создание качественной, а затем и количественной модели. Чем больше значимых свойств будет выявлено и перенесено на компьютерную модель — тем более приближенной она окажется к реальной модели, тем большими возможностями сможет обладать система, использующая данную модель. Компьютерное же моделирование заключается в проведении серии вычислительных экспериментов на компьютере, целью которых является анализ, интерпретация и сопоставление результатов моделирования с реальным поведением изучаемого объекта и, при необходимости, последующее уточнение модели и так далее Различают аналитическое и имитационное моделирование. При аналитическом моделировании изучаются математические (абстрактные) модели реального объекта в виде алгебраических, дифференциальных и других уравнений, а также предусматривающих осуществление однозначной вычислительной процедуры, приводящей к их точному решению. При имитационном моделировании исследуются математические модели в виде алгоритма(ов), воспроизводящего функционирование исследуемой системы путём последовательного выполнения большого количества элементарных операций. 1.2 Преимущества компьютерного моделированияКомпьютерное моделирование дает возможность: расширить круг исследовательских объектов - становится возможным изучать не повторяющиеся явления, явления прошлого и будущего, объекты, которые не воспроизводятся в реальных условиях; визуализировать объекты любой природы, в том числе и абстрактные; исследовать явления и процессы в динамике их развертывания; управлять временем (ускорять, замедлять и т.д); совершать многоразовые испытания модели, каждый раз возвращая её в первичное состояние; получать разные характеристики объекта в числовом или графическом виде; находить оптимальную конструкцию объекта, не изготовляя его пробных экземпляров; проводить эксперименты без риска негативных последствий для здоровья человека или окружающей среды. 1.3 Основные этапы компьютерного моделирования
Таблица 1 - Основные этапы компьютерного моделирования В процессе проведения эксперимента может выясниться, что нужно: скорректировать план исследования; выбрать другой метод решения задачи; усовершенствовать алгоритм получения результатов; уточнить информационную модель; внести изменения в постановку задачи. В таком случае происходит возвращение к соответствующему этапу и процесс начинается снова. Наноструктуры и наноматериалы2.1 Определение и видыОдной из целей исследования нанотехнологий является создание наноструктур и наноматериалов. Наноструктуры - это микроскопические объекты, построенные из отдельных атомов, или молекул, имеющие строго упорядоченную структуру (кристаллическую решетку особой формы). Благодаря этой особой структуре, которая не встречается в объектах естественного происхождения, такие объекты обладают уникальными характеристиками. Наноматериалы- это материалы, сформированные из наноструктур, благодаря чему они обладают рядом свойств, не характерных для материалов из того же вещества, но с обычной структурой. Выделяют следующие основные типы наноструктур и наноматериалов: нанопористые структуры; наночастицы; нанотрубки и нановолокна; нанодисперсии (коллоиды); наноструктурированные поверхности и пленки; нанокристаллы и нанокластеры Особым классом наноструктур являются углеродные структуры. Углерод является уникальным строительным материалом, который лежит в основе всех органических веществ. Из чистого углерода состоят материалы с такими разными физическими свойствами, как графит и алмаз, разница между которыми обуславливается исключительно структурой кристаллической решетки. С помощью нанотехнологий оказалось возможным формировать собственные структуры из углерода, получая материалы с новыми уникальными свойствами. 2.2 Инструменты нанотехнологий.Для работы с объектами столь малых размеров необходимо специальное оборудование, позволяющее не только визуализировать их, но также избирательно воздействовать, в частности, перемещать атомы по поверхности. К такого рода инструментам относятся: просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения; сканирующий электронный микроскоп; атомно-силовой микроскоп – он же сканирующий зондовый микроскоп; спектроскоп комбинационного рассеяния света; рентгеновская установка, способная создавать малое угловое рентгеновское рассеивание Компьютерное моделирование наноструктур3.1 Моделирование наноструктурЧтобы создать любой нанообъект, будь то наноробот либо новая молекула, нужно сначала в детально разработать ее структуру и технологию создания. Но как это сделать, если такие структуры даже невозможно увидеть? Чтобы избежать конструирования многочисленных дорогих прототипов наносистем, чтобы понять, какая из них будет работать, а какая нет, инженеры используют модели. Молекулярные модели могут быть разными. В самом простом случае это физические моделииз цветных шариков, украшающие школьные кабинеты химии. Такие модели предельно просты и наглядны, однако их достоверность оставляет желать лучшего. Ведь атомы – это отнюдь не твердые пластиковые шарики, а сложные физические системы, живущие по своим законам. Поскольку модели цветных шариков плохо отражают реальные свойства молекул, нанотехнологи обычно используют компьютерные модели, в которых можно задать настоящие законы квантовой физики. Основанное на мощном математическом аппарате, компьютерное моделирование играет ключевую роль в разработке наносистем. Что же представляет собой компьютерное моделирование? Наверняка многие читатели имеют представление о различных САПР – системах автоматизированного проектирования (или по-английски CAD – computer aided design). Обычные инженеры, дизайнеры и архитекторы давно используют преимущества компьютерного моделирования, применяя в работе известные программы, такие как MathCAD, AutoCAD, ArchiCAD и т.п. Творчество молекулярного инженера очень похоже на творчество архитектора, проектирующего здание, который, в зависимости от назначения, рассчитывает его прочность, устойчивость, удобство строительства, стоимость, влияние окружающей среды и т.п. При этом большинство необходимых расчетов, основанных на теоретических данных, берет на себя компьютерная программа. При современном уровне знаний, позволяющем судить о квантовых законах с большой достоверностью, расчет и моделирование наноструктур стали вполне реальной задачей, сходной с обычными задачами CAD. Существуют несколько основных типов математического моделирования в нанотехнологии представленные в табилце (2).
Таблица 2 - Примеры нанотехнологических CAD-программ. 3.2 Визуализационное моделированиеНаиболее простая из современных визуализационных программ – небольшая программа RasMol, которая ничего не рассчитывает, но позволяет наблюдать в трехмерном виде нано-структуры, созданные другими. В программе можно хорошенько рассмотреть наноструктуру, покрутить, увидеть химические элементы, связи и группы, а также экспортировать результаты в графический файл.   Рисунки 1 и 2 - Наноструктуры в окне программы RasMol. Вирус SV40 и молекула этилового спирта. 3.3 Вычислительное моделированиеСмотреть чужие модели наноструктур, конечно интересно, но гораздо интереснее строить их самим. Для этого используют математическое моделирование методами квантовой механики, молекулярной динамики и различные статистические подходы. С их помощью можно увидеть не только трехмерную модель объекта, но и его поведение при воздействии температуры, электро-магнитных полей, гамма-квантов, и др. Рассмотрим одну из популярных программ – Chem3D. Графический интерфейс делает ее очень удобной и понятной: любую химическую формулу можно набрать на клавиатуре, после чего на экранавтоматически выводится графическое изображение молекулы; существуют разные виды представления молекул: стержневая, шаростержневая, ван-дер-ваальсова и другие.  Рисунок 3 - Модель серной кислоты H2SO4: а) стержневая, б) шаростержневая в) Ван-дер-ваальсов Можно “вручную” собрать наноструктуру, и Chem3D сам оптимизирует ее, представляя реальное расположение атомов.  Рисунок 4 - Так выглядела бы молекула этилена (C2H4) на самом деле Молекулярная механика позволяет “нагреть” структуру, повлиять на нее электромагнитными полями и посмотреть динамику этих взаимодействий;  Рисунок 5 - Нагретая молекула до 1000К. Так же можно моделировать довольно сложные структуры (приложение (1)), создавать группы и манипулировать ими (приложение (2)), можно рассмотреть наноструктуру в “реалистичном” виде, т.е. так, как бы она выглядела в атомно-силовом микроскопе (приложение (3)). Основные молекулы, необходимые для наномоделей, уже созданы, и хранятся в базе данных. Это общеизвестные вещества: H2O, C2H2, C6H6, АТФ, а также молекулы посложнее - от различных современных лекарств до сложных биомолекул (приложение (4)). Преодоление проблемы массового производства наноструктурКамнем преткновения нанотехнологии, основанной на зондовых методах, является невозможность организации массового производства высокотехнологичных товаров. Результаты, демонстрирующие потенциальные возможности нанотехнологии, уже достигнуты, но технологии массового производства тех же наноэлектронных схем (подобно планарной кремниевой) как таковой не существует. Конечно, нанофабрика решила бы эту проблему в два счета, однако до ее создания, видимо, еще очень далеко. Тем не менее, уже сейчас развивается множество перспективных направлений массового производства наноструктур. ЗаключениеТаким образом, для компьютерного моделирования необходимо, в первую очередь, иметь математическую модель. Почему мы говорим именно о модели, а не просто о математическом описании? Потому что любая реальная физическая система всегда очень сложна, и прежде, чем ее изучать, ученый должен четко знать, какие же свойства данной системы он хочет изучить. Например, если мы изучаем оптические свойства некоего твердого тела, нам необходимо иметь математические уравнения, описывающие именно оптические свойства, а другие свойства (теплопроводность, удельный вес и т.д.) данная модель описывать вовсе и не обязана. Имея математическую модель в виде уравнений, мы должны перевести ее на язык компьютера, то есть написать программу. Программа, предназначенная для компьютерного моделирования, должна не только решать некие математические уравнения, но и выводить результаты расчета в наглядной форме, которая была бы удобна для визуального восприятия и сопоставления имеющимися эмпирическими данными и с данными других расчетов. Кроме того, такая программа должна давать возможность исследователю изменять различные параметры, с тем, чтобы исследовать объект в различных условиях, подобно тому, как это делается в эксперименте. Компьютерное моделирование во многом как раз сродни экспериментальному исследованию. Если модель включает в себя все существенное, то объект в компьютере ведет себя так же, как он вел бы себя в реальности. В результате, задавая условия, в которых объект еще никем не исследовался, или, синтезируя в компьютере новый объект, мы получаем новое знание, фактически ничем не уступающее знанию, добываемому в эксперименте. Разумеется, используемая модель должна быть тщательно оттестирована на объектах, свойства которых уже хорошо изучены либо экспериментально, либо другими теоретическими методами, достоверность которых доказана и не подвергается сомнению. Однако такое правило действует и в отношении экспериментальных методов: каждый новый экспериментальный метод должен быть апробирован, испытан на уже изученных объектах. Исследование компьютерного моделирования имеет значительный фундаментальный и прикладной интерес в науке. Фундаментальный интерес обусловлен тем, что данный метод исследования наноструктур может дать огромный толчок и ускорить процесс познания их в разы. К проблеме исследования наночастиц через компьютерное моделирование вплотную примыкает проблема каждодневного прикладного использования. Данная проблема пока что исключает крупномасштабное использование данного метода. Тем не менее такой метод позволяет надеяться на эффективное изучение наноматериалов и наночастиц в таких областях, как измерительная техника, электроника и наноэлектроника, химическая технология и др. В случае успеха мы станем свидетелями еще одного примера эффективного влияния фундаментальных научных исследований на научно технический прогресс. Приложение.Приложение 1 - Модель сложного наномеханизма.  Приложение 2 – Группа наномеханизомов.  Приложение 3 - Наноструктура в “реалистичном” виде, т.е. так, как бы она выглядела в атомно-силовом микроскопе.  Приложение 4 - Примеры сложных и простых молекул.  Список литературы:Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В., Абрамов А.В.У74 Компьютерное моделирование наноструктур: Учеб. пособиедля студентов факультета нано- и биомедицинских технологий –Саратов, 2013. –100 с.: ил. Электронное издание. Novoselov K.S. Two-dimensional Atomic Crystals / K.S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T.J. Booth, V.V. Khotkevich, S.V. Morozov, A.K. Geim // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 2005. — Vol. 102, No.30. — P. 10451—10453. https://ru.wikipedia.org/wiki/Компьютерное_моделирование https://studfile.net/preview/2262275/page:2/ http://nno.dtn.ru/5/18.htm |