17 ноября 2018г.
Проведение экспериментов современной научно-технической области становится все более затратным вследствие громадной разницы между наноразмерными объектами и объектами макромира. Очень часто, когда постановка прямого эксперимента затруднительна или невозможна (отсутствие соответствующего оборудования, финансирования, квалифицированного персонала), незаменимым методом исследования является компьютерное моделирование, которое даёт возможность понять степень значимости тех или иных факторов и особенности поведения исследуемой системы. Поскольку моделирование основывается на базовых физических законах, то это позволяет обнаружить новые особенности поведения модельной системы – в этом отношении моделирование схоже с реальным экспериментом [1-3].
Компьютерное моделирование является важным компонентом при оптимизации различных наноструктур и наноматериалов под заданное приложение – рассчитывая параметры и характеристики исследуемых объектов без необходимости их поэтапного реального синтеза, а ограничиваясь экспериментальной проверкой полученных моделированием выводов и рекомендаций. Моделируя физические, химические, составные и другие реальные процессы, можно добиться необходимых характеристик системы, но при этом получить новые соединения, структуры и свойства [4,5].
Компьютерное моделирование процессов синтеза наноразмерных частиц и наноразмерных пленок достаточно широко используется для попыток понимания сущности нерегулярных процессов зарождения и роста наноструктур, особенно на начальном этапе их зарождения [6,7]. При этом результат состоит не только в более подробном исследовании прежде изученных процессов и структур (случайные блуждания, линейные молекулы полимеров, металлические кластеры, различные покрытия), но обеспечивает и более глубокое проникновение в явления, которые было бы невозможно понять с использованием традиционных методов. Применение поэтапного моделирования образования наноразмерных структур позволяет осуществлять компьютерное моделирование процессов синтеза наноразмерных структур, образующихся в ходе химических взаимодействий, с учетом входных управляемых факторов технологических процессов и особенностей строения молекул исходных компонентов [8-10].
Компьютерные эксперименты позволяют эффективно изучать различные структуры, отделяя те, которые имеют очевидные дефекты и недостатки. Даже скудная информация и модель слабой предсказательной силы может помочь в проектировании наносистем. Известного подхода экспериментальных проб и ошибок нередко вполне достаточно для разработки надежных устройств, если проводимые пробы проходят достаточно быстро и стоят сравнительно дешево. Поэтому моделирование даже с ограниченными средствами обеспечивает рациональную конструкцию, которая включает накопленную экспериментальную информацию и позволяет конструировать реальные и работоспособные системы [11,12].
Модифицируя имитационным моделированием конструкцию и оптимизируя структуру, можно синтезировать нанообъект с приемлемыми характеристиками, что пока невозможно путем проведения физических экспериментов из-за высокой стоимости необходимого лабораторного оборудования и медленного протекания экспериментальных процессов. Компьютерное моделирование может многократно "сжимать" время физического эксперимента. Поэтому моделирование и компьютерные расчеты принято называть вычислительным экспериментом, так как исследователь, выполняющий такие расчеты, непосредственно контролирует силы взаимодействия, которые могут влиять на структуру, свойства и динамику наносистем, и может систематически изучать любые прямые и обратные воздействия. Точность таких вычислительных экспериментов будет зависеть от исследуемых численными методами математических моделей и используемых алгоритмов моделирования. Если точность вычислительной схемы гарантируется, то ее можно использовать для исследования различных нелинейных взаимодействий, результаты которого могут быть совершенно неожиданными и непредсказуемыми. Численное моделирование и компьютерные модели помогут развивать теоретические основы нанотехнологии [13,14].
Многие объекты, встречающиеся в природе, имеют форму, которая не описывается обычными геометрическими объектами [15]. Основное свойство таких объектов – самоподобие, т.е. похожесть объекта на самого себя при рассмотрении его на разных масштабах. Такие объекты называются фракталами. Компьютерные модели, использующие определенные алгоритмы для описания движения и слипания твердых частиц и кластеров в процессе роста фрактального кластера, позволяют сконструировать фрактальный кластер и проанализировать как его свойства, так и характер роста. Исследования фрактальных кластеров, проведенные с помощью компьютерных методов, составляют основу представлений об этих объектах.
Первая реализация модели по принципу ограниченной диффузией агрегации (ОДА) сочеталась со следующими модельными допущениями: в качестве затравки использовалось неравномерное локальное распределение электрического поля над поверхностью подложки или нерегулярность поверхности подложки, сопоставимая с дефектом или дислокационным выходом. Моделировался рост пленки при фиксированном положении затравки и при возможности ее миграции по поверхности подложки, а также при поступлении атомов из одного источника или нескольких и разных алгоритмах их взаимодействия. Принцип модели состоит в том, что затравочное зерно агрегата находится в определенном объеме, а другие частицы последовательно помещаются в этот же объем, после чего совершают случайное перемещение.
Исходная задача была усложнена: до определенного момента рассматривалось броуновское движение, а далее моделировалось движение частицы, как движение в информационном поле воздействия затравки, причем по мере продвижения частицы к затравке характер воздействия менялся: чем меньше расстояние от фиксированной затравки до блуждающей частицы, тем более весомую составляющую по направлению к затравке приобретал вектор смещения.
Был смоделирован процесс поликонденсации продуктов гидролиза тетраэтоксисилана. Реализованная модель достаточно адекватно описывает процесс образования наночастиц в реальной химической реакции. Разработанное программное обеспечение позволяет визуально наблюдать за динамикой роста кластера. По результатам вычислительного эксперимента определена зависимость среднего числа молекул кластера, при которых образуется замкнутая структура, от параметров системы: угла отклонения, возникающего при стыковке молекул и коэффициента, определяющего степень линейности роста кластера.
Список литературы
1. Жабрев В.А., Калинников В.Т., Марголин В.И., Николаев А.И., Тупик В.А. Физико-химические процессы синтеза наноразмерных объектов. СПб.: Изд-во "Элмор", 2012. 328 с.
2. Марголин В.И., Жабрев В.А., Тупик В.А., Аммон Л.Ю. Методы синтеза наноразмерных структур. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2013. 287 с.
3. В.И. Грачев, В.А. Жабрев, В.И. Марголин, В.А. Тупик Основы синтеза наноразмерных частиц и пленок.- Ижевск, Изд-во "Удмуртия", 2014. 480 с.
4. Кузнецов Н.Т., Новоторцев В.М., Жабрев В.А., Марголин В.И. Основы Нанотехнологии: Учебник, М.: Изд-во "Бином. Лаборатория знаний", 2014.- 397 с. гриф УМО
5. Марголин В.И., Жабрев В.А., Лукьянов Г.Н., Тупик В.А. Введение в нанотехнологию: Учебник, -СПб.: Издательство "Лань", 2012.- 464 с. гриф УМО
6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015610052 Компьютерное моделирование процесса роста тонких пленок в потенциальном поле (Рост тонких пленок), Марголин В.И., Чу Чонг Шы, дата гос. регистрации 12.01.2015 по заявке № 2014661296 от 05.11.2014.
7. Грачёв В.И., Марголин В.И., Тупик В.А. Роль физических эффектов при переходе к наноразмерным структурам // Norwegian Journal of development of the International Science No 6/2017 .- С. 91-95.
8. Аммон Л.Ю. Моделирование фрактальных структур органо-неорганических гибридов // Материалы международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий. Международный форум по нанотехнологиям, Москва, 3-5 дек. 2008. – 2008 г. – С. 516 - 518.
9. Аммон Л.Ю., Марголин В.И. Моделирование роста наноразмерных пленок в вакуумных технологиях / // Вакуумная техника и технология. – 2009, т.19, № 3. – С. 159 - 164.
10. Аммон Л.Ю. Компьютерное моделирование процесса образования наночастиц при золь-гель синтезе // Нанотехника. – 2011 г., №2. – С. 93 - 96.
11. Аммон Л.Ю., Марголин В.И., Жабрев В.А. Моделирование процесса синтеза фрактальных наноразмерных пленок для фрактальных антенн и устройств нанорадиоэлектроники // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". – 2009 г., №6. – С. 3 - 10.
12. Аммон Л.Ю., Жабрев В.А. Компьютерное моделирование процесса зарождения наноразмерных частиц при золь-гель синтезе // Известия СПбГЭТИ(ТУ). – 2012 г., №16(42) – С. 78 - 80.
13. Аммон Л.Ю., Жабрев В.А., Марголин В.И., Чуппина С.В. Факторы, определяющие состав и строение наночастицы / // Нанотехнологии. Экология. Производство. – 2010 г., №1(3) – С. 110 - 121.
14. Марголин В.И., Шишов С.Е. Перспективы и проблемы нанотехнологий // О национальной доктрине развития в Российской Федерации нанотехнологий. Аналитический сборник.- М.: 2006.- Издание Совета Федерации.- С. - 54 – 63
15. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы / Б. Мандельброт. – М.: Институт компьютерных исследований, 2002. - 656 с.
