Файл: Реферат Преподаватель Т. В. Штанг (подпись, дата).docx

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 РЕФЕРАТ

Сведения 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.

СОДЕРЖАНИЕ

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.

1. Компьютерное моделирование

1.1 О компьютерном моделировании

Компьютерные 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 моделирования

Компьютерное 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

Название этапа	Исполнение действий
1. Постановка задачи и её анализ	1.1. Выяснить, с какой целью создается модель. 1.2. Уточнить, какие исходные результаты и в каком виде следует их получить. 1.3. Определить, какие исходные данные нужны для создания модели.
2. Построение информационной модели	2.1. Определить параметры модели и выявить взаимосвязь между ними. 2.2. Оценить, какие из параметров влиятельные для данной задачи, а какими можно пренебрегать. 2.3. Математически описать зависимость между параметрами модели.
3. Разработка метода и алгоритма реализации компьютерной модели	3.1. Выбрать или разработать метод получения исходных результатов. 3.2. Составить алгоритм получения результатов по избранным методам. 3.3. Проверить правильность алгоритма.
4. Разработка компьютерной модели	4.1. Выбрать средства программной реализации алгоритма на компьютере. 4.2. Разработать компьютерную модель. 4.3. Проверить правильность созданной компьютерной модели.
5. Проведение эксперимента	5.1. Разработать план исследования. 5.2. Провести эксперимент на базе созданной компьютерной модели. 5.3. Проанализировать полученные результаты. 5.4. Сделать выводы насчет свойств прототипа модели.

---

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.

2. Наноструктуры и наноматериалы

2.1 Определение и виды

Одной 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
  

---

3. Компьютерное моделирование наноструктур

3.1 Моделирование наноструктур

Чтобы 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).

---