Geum.ru

Название Многоуровневое моделирование процессов синтеза нанокластерных материалов

Вид материалаДокументы

Содержание


Описание предполагаемых результатов реализации проекта
Наиболее близкие по тематике проекты в мире, реализующиеся в настоящее время (не более 5 аналогов)
Кто является потенциальным потребителем результатов
Где, когда и какой эффект, в т.ч. экономический, ожидается от использования результатов проекта
Преимущества от участия иностранных организаций
Предварительный план подготовки и реализации проекта (основные вехи) по каждой организации, включая координационные мероприятия
Ооо «сиамс»
Подобный материал:
N-07-SPSPU-2

Паспорт совместного российско-американского проекта
  1. Название

Многоуровневое моделирование процессов синтеза нанокластерных материалов
  1. Аннотация

Цель проекта — создание комплекса многоуровневых моделей, алгоритмов и программ для моделирования процессов синтеза, деструкции, поведения и свойств нанокластерных материалов. Этот комплекс обеспечит новый уровень конкурентоспособности на мировом рынке услуг по выполнению высокопроизводительных расчетов и моделирования в интересах разработчиков и производителей нанотехнологической продукции.

Задачи проекта:
  • создание/адаптация комплекса математических и компьютерных моделей и методов для моделирования процессов, протекающих при синтезе нанокластеров в газовой среде или плазме;
  • создание/адаптация комплекса математических и компьютерных моделей и методов для моделирования процессов в газовой фазе, приводящих к деструкции наноматериалов или изменению их ключевых свойств;
  • создание/адаптация комплекса компьютерных программ, реализующих созданные методы и модели;
  • все модели объединяются связные многоуровневые модели: от атомов, ионов и электронов до объемных твердых тел.

Область исследований — наноматериалы, функциональность которых связана, прежде всего, с наличием в их составе нанокластеров металлов и полупроводников. Область применения таких материалов достаточно широка: различные электромагнитные устройства, катализаторы, адсорбенты/абсорбенты, сенсорные устройства, топливные элементы, солнечные батареи и светодиоды.

Основная проблема, возникающая при синтезе любых нанокластеров — высокая и непропорциональная чувствительность свойств конечного продукта к условиям синтеза. Экспериментальная проверка всех возможных наборов условий дорога и часто невозможна. Поэтому основную роль при подборе условий играет математическое и компьютерное моделирование. На современном уровне развития вычислительных возможностей компьютерное моделирование в данной области материаловедения часто быстрее, эффективней и понятней эксперимента. Образование нанокластеров проходит, как правило, в неравновесных условиях и очень быстро, и этим отличается от обычного химического синтеза. Каждая нанокластерная система и установка для ее синтеза уникальны и требуют своих методов моделирования или существенной адаптации широко распространенных методов. Поэтому важно развивать модели и методы описания образования и поведения нанокластров в комплексе, пытаясь обобщить и построить единую базу для такого моделирования.

Обычно исследователи ограничиваются каким-либо одним уровнем описания процессов: макропроцессы, молекулярные и внутримолекулярные. Нанокластеры являются специфическими материалами, в которых особенности атомной структуры могут непосредственно влиять на свойства макроматериала. Поэтому моделировать образование нанокластеров можно только совокупностью моделей разных уровней.
  1. Описание предполагаемых результатов реализации проекта

Результат проекта — комплекс многоуровневых моделей, алгоритмов и программ для моделирования процессов синтеза, деструкции, поведения и свойств нанокластерных материалов. Комплекс обеспечит новый уровень конкурентоспособности на мировом рынке услуг по выполнению высокопроизводительных расчетов и моделирования в интересах разработчиков и производителей нанотехнологической продукции
  1. Наиболее близкие по тематике проекты в мире, реализующиеся в настоящее время (не более 5 аналогов)

С одной стороны, тема моделирования атомов, молекул и кластеров широко распространена, с другой — конкретно темой синтеза наноматериалов занимается мало групп (например, в 10-ти томном издании «Handbook of Theoretical and Computational Nanotechnology» под редакцией Michael Rieth и Wolfram Schommers нет раздела, посвященного образованию наноматериалов), и они, как правило, работают в рамках одного расчетного метода, одного уровня описания материи. Каждый вариант метода развивается определенной группой, от проекта к проекту. Поэтому имеет смысл в качестве аналогов приводить не примеры, а организации. В качестве примера можно привести следующие организации:
    • Center for Nanotechnology of NASA (ссылка скрыта) — моделирование электронных наноустройств на основе наноалмазов, фуллеренов, нанотрубок и т.д., один из методов — молекулярная динамика.
    • Materials and Process Simulation Center (altech.edu /) — развитие методов из первых принципов, предсказывающих структуру и свойства белков, ДНК, полимеров, керамики, полупроводников, сплавов и многих других материалов для фармацевтики, катализа, микроэлектроники, нанотехнологий, сверхпроводников. Развиваемые методы: все методы квантовой химии и молекулярная динамика. Группа — создатель комплекса программ GAMESS.
    • Institute for Molecular Manufacturing (rg/) — производство молекулярных и наноустройств.
    • Центр Фотохимии РАН совместно с ООО «СИАМС» (nics.ru/, .com) — моделирование физико-химических процессов образования упорядоченных и неупорядоченных структур, диффузии многокомпонентных газов и конструирования наночастиц. Используемые методы: DEM, FEM, метод частиц. Реализован проект УМ программного комплекса «Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях» (odel.ru/). Комплекс разработан при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (ГК № 02.523.11.3014).
  1. Новизна, описание конкурентных преимуществ результатов

В отличие от аналогов (как указных выше, так и остальных) в проекте планируется объединить различные уровни описания материи. Также планируется сравнить два популярных метода расчета процессов образования нанокластеров: метод молекулярной динамики и метод прямого моделирования Монте-Карло. Объединение и сравнение методов позволит эффективно моделировать более широкий диапазон процессов, различные условия образования и функционирования наноматериалов.
  1. Кто является потенциальным потребителем результатов

Потенциальными потребителями продуктов проекта являются фирмы и организации, занимающиеся развитием технологий производства наноматериалов во всех областях техники: химическом синтезе (катализаторы), электронике и оптоэлектронике (различные электронные устройства), энергетике (топливные элементы, солнечные батареи, светодиоды), лазерной технике (новые оптические среды), спинтронике (магнитные полупроводниковые наноматериалы).
  1. Где, когда и какой эффект, в т.ч. экономический, ожидается от использования результатов проекта

Создание комплекса моделей, методов и программ позволит решать проблемы оптимизации технологических процессов производства нанокластерных материалов в более широком спектре применений. Как правило, моделирование привносит качественные изменения в существующие технологии, поэтому количественно оценить эффект невозможно. В частности, ожидается, что в результате разработки модели формирования и стабилизации нанокластеров в неравновесных условиях может быть достигнут существенный прогресс в технологии синтеза катализаторов. Также ожидается, что в результате проведенного в рамках проекта моделирования будет достигнут прорыв в синтезе монодисперсных нанокластеров (фиксированного размера и состава), что позволит выйти на принципиально новый уровень при их использовании в сенсорах, устройствах оптоэлектроники и т.п.
  1. Предполагаемые организации — участники консорциума по профилям: научные, образовательные, бизнес. Контактная информация руководителей проекта в каждой организации и общего координатора
  • Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет, рук. —Лещев Дмитрий Владимирович, e-mail: leshchev@gtn.ru.
  • Институт Теплофизики СО РАН, рук. — Булгаков Александр Владимирович, e mail: bulgakov@itp.nsc.ru.
  • Физико-технический институт имени А.Ф.Иоффе, рук. — Вуль Александр Яковлевич, e-mail: AlexanderVul@mail.ioffe.ru.
  • Центр Фотохимии РАН, рук. — Алфимов Михаил Владимирович, e-mail: alfimov@photonics.ru
  • ООО «СИАМС», рук. — Кадушников Радий Михайлович, e-mail: radi@siams.com
  • Computational Materials Group of University of Virginia, рук. — Leonid V. Zhigilei, e mail: av4h@virginia.edu.
  • International Technology Center, Raleigh, рук. — Olga Shenderova, e mail: oshenderova@itc-inc.org.

Координатор: Козырев Сергей Васильевич, директор Центра перспективных исследований СПбГПУ, e mail: kozyrev@spbcas.ru, раб.тел.:(812) 5349513

У американских партнеров имеются отлаженные связи с компаниями, заинтересованными в моделировании нанотехнологических материалов. Возможно сотрудничество с крупными компаниями, такими как Самсунг Электроникс и т.д.

Российские бизнес-партнеры: проектная компания по проекту Роснано №1451.
  1. Описание вклада каждой организации в итоговый результат
  • Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет: разработка и адаптация моделей, алгоритмов и методов расчета и программ для метода прямого статистического моделирования Монте-Карло, координатор проекта.
  • Институт Теплофизики РАН: разработка и адаптация моделей различных физических процессов, протекающих с образованием нанокластеров, получение необходимых для моделирования экспериментальных данных.
  • Физико-технический институт имени А.Ф.Иоффе: разработка и адаптация моделей различных физических процессов, протекающих с образованием нанокластеров, получение необходимых для моделирования экспериментальных данных.
  • Computational Materials Group of University of Virginia: разработка и адаптация моделей, алгоритмов и методов расчета и программ для метода молекулярной динамики, куратор американских партнеров.
  • International Technology Center, Raleigh: разработка и адаптация моделей различных физических процессов, протекающих с образованием нанокластеров, получение необходимых для моделирования экспериментальных данных.
  • Центр Фотохимии РАН: разработка и адаптация моделей различных физических процессов, протекающих с образованием нанокластеров, получение необходимых для моделирования экспериментальных данных.
  • ООО «СИАМС»: разработка и адаптация моделей различных физических процессов, протекающих с образованием нанокластеров, реализация общей платформы комплексы многоуровневых моделей, алгоритмов и программ.
  1. Преимущества от участия иностранных организаций

У американских партнеров, в частности у Computational Materials Group of University of Virginia, имеется большой опыт моделирования реальных процессов, протекающих на поверхности твердого вещества, в том числе и кластеров. Данные расчеты заказывались компаниями, ведущими разработки соответствующих технологий. Этот факт обеспечивает также связи исследовательского коллектива с бизнес-структурами. Это может стимулировать российский бизнес. Пока: в «СБОРНИКЕ ЗАКАЗОВ НА ИННОВАЦИОННЫЕ РАЗРАБОТКИ» (nnovaterussia.ru/) был только один заказ создание моделей и моделирование.
  1. Потенциальные иностранные участники проекта, которые могли бы внести существенный вклад в итоговый результат.

Потенциальные партнеры:
  • Computational Materials Group of University of Virginia
  • International Technology Center, Raleigh

Желаемые партнеры:
  • Materials and Process Simulation Center of California Institute of Technology
  1. Краткая предыстория формирования проекта

В 2004-2008 г. в рамках проектов, заказанных компанией Samsung Elecronics Co., в том числе «Разработка компьютерной программы для моделирования плазменной динамики в системе плазменных пушек» (рук. Ю.А. Куракин, СПбГПУ), и гранта INTAS №03-51-5208 «Исследование процессов образования наночастиц при лазерной абляции» (рук. Г.А.Лукьянов, СПбГПУ и А.В. Булгаков, ИТ СО РАН) осуществлялось взаимодействие между членами предлагаемого проекта: Санкт-Петербургским Государственным Политехническим Университетом, Институтом Теплофизики РАН, Физико-техническим институтом имени А.Ф.Иоффе и членами Computational Materials Group of University of Virginia. Тогда же был завязан контакт с членами International Technology Center. Проекты были успешно выполнены, по их результатам опубликовано множество совместных научных работ и докладов. Оба проекта заключались в многоуровневом моделировании, включающем в себя взаимодействие с физическими полями, деструкция материала при внешнем взаимодействии, газодинамика пара и буферных газов, образование нанокластеров, осаждение кластеров на подложку, обмен энергией.

Данная работа находится в контексте уже ведущегося научного сотрудничества с США: в Центре перспективных исследований СПбГПУ ведутся исследования по грантам Национального института здоровья США по гранту (в настоящее время grant RR07801).

По результатам совместных исследований публикуются не только статьи, но и книги: напр., “Silicon versus Carbon. Fundamental Nanoprocesses, Nanobiotechnology and Risks Assessmenent. Springer, 2009.Ed. by Yuri Magarshak (USA), Sergey Kozyrev (RF), Ashok K. Vaseashta (USA).
  1. Предварительный план подготовки и реализации проекта (основные вехи) по каждой организации, включая координационные мероприятия

Установление конкретных договоренностей с американскими партнерами: до 1 мес.

Разработка технического задания, календарного плана и остальной проектной документации: до 6 месяцев.

Телеконференции и видеоконференции по рабочим вопросам проекта: не реже 1 раза в месяц.

Стартовая встреча ключевых участников: в течение первых 3 месяцев проекта.

Отчеты: краткие — раз в полгода, промежуточные — раз в год, итоговый в конце 3-го года проекта.

Получение предварительных результатов: от 1 года проведения проекта.

Окончательные результаты: в конце 3-го года проведения проекта.

План мероприятий по организациям:
  • Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет:
    • установление конкретных договоренностей со всеми партнерами: 1 мес.;
    • проведение телеконференции и видеоконференций — не реже 1 раз. в мес.;
    • организация и проведение стартовой встречи: в течение первых 3 месяцев проекта;
    • разработка и адаптация моделей, алгоритмов и методов расчета и программ для метода прямого статистического моделирования Монте-Карло (субатомный уровень, атомный и молекулярный уровень, газодинамика) для тестовых систем: в течение первого года проекта;
    • сравнение результатов расчетов методом прямого статистического моделирования Монте-Карло и молекулярной динамики: в течение первого и второго года проекта;
  • Институт Теплофизики РАН, Физико-технический институт имени А.Ф.Иоффе, International Technology Center, Raleigh:
    • разработка и адаптация моделей различных физических процессов, протекающих с образованием нанокластеров (молекулярный и надмолекулярный уровень, газодинамика, теплоперенос, углеродные кластеры): в течение первого года проекта;
    • получение необходимых для моделирования экспериментальных данных: в течение всего проекта;
  • Computational Materials Group of University of Virginia:
    • разработка и адаптация моделей, алгоритмов и методов расчета и программ для метода молекулярной динамики (атомный и молекулярный уровень) для тестовых систем: в течение первого года проекта;
    • сравнение результатов расчетов методом прямого статистического моделирования Монте-Карло и молекулярной динамики: в течение первого и второго года проекта;
  • Центр фотохимии РАН:
    • разработка и адаптация алгоритмов и методов расчета для программ реализующих модели физических процессов образования нанокластерхных структур : в течение первого года проекта;
    • получение необходимых для моделирования экспериментальных данных: в течение всего проекта;
    • апробация результатов вычислительных экспериментов: в течение всего проекта;
  • ООО «СИАМС»:
    • разработка и адаптация алгоритмов и методов расчета для программ реализующих модели физических процессов образования нанокластерхных структур: в течение первого года проекта;
    • сравнение результатов расчета методом дискретных элементов и методом конечных элементов с методом прямого статистического моделирования Монте-Карло и методами молекулярной динамики: в течении первого и второго года проекта;
    • разработка общей платформы для комплекса многоуровневых моделей, алгоритмов и программ: в течение всего проекта;
  1. Объем финансирования (существующий и необходимый), включая предполагаемые источники и объемы софинансирования

Предполагается финансирование работ из проекта Роснано №1451 в размере 40 млн. руб. Объем финансирования исследований, выполняемых по гранту NIH grant RR07801 составляет 4 млн. долларов.

Запрашиваемый объем 30 миллионов рублей в год..