Раздел II. Фундаментальные основы, экспериментальные и теоретические методы компьютерного моделирования нанотехнологий функциональных и биомиметических материалов первого поколения

Тема 2.1. Экспериментальные методы исследования наноматериалов первого поколения (4 час.)

Экспериментальные методы наноструктурной физики и химии. Введение в сканирующую зондовую микроскопию (СЗМ). Техника СЗМ. Принципы работы СЗМ. Сканирующие элементы СЗМ. Устройства для прецизионных перемещений зонда и образцы СЗМ. Защита приборов СЗМ от внешних воздействий. Формирование и обработка СЗМ изображения. Методы СЗМ. Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ). Атомно-силовая микроскопия (АСМ). Методы СЗМ. Электросиловая микроскопия (ЭСМ). Магнито-силовая микроскопия (МСМ). Ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ).

Тема 2.2. Экспериментальные методы исследования функциональных и биомиметических наноматериалов первого поколения (6 час.)

Экспериментальные методы изучения функциональных и биомиметических наноматериалов первого поколения на примере фуллеренов. Свойства фуллеренов. Получение фуллеренов. Модели образования фуллеренов. Методы получения и свойства нанокристаллических материалов. Углеродные нанотрубки. Нанохимия металлов. Нанокриохимия. Методы получения и свойства супрамолекулярных наносистем. Экспериментальные методы изучения нанокатализаторов и нанокатализа химических реакций.

Тема 2.3. Теоретические методы и компьютерное моделирование наноматериалов первого поколения (2 час.)

Вещество, фаза, материал, шкала масштабов. Роль фазовых переходов, нелинейность отклика и свойств фаз в создании «умных» материалов. Структурная иерархия материалов. Классификация дефектов, поликристаллы-микроструктура, кристаллическая структура, домены, текстура, структура дефектов, точечные дефекты, протяженные дефекты, границы раздела, поры, структуры кристаллографического сдвига, дефекты упаковки, взаимодействие дефектов, квазихимия, изо- и гетеровалентные замещения.

Материалы: прошлое и настоящее. Тенденции развития современного материаловедения. Важнейшие проблемы науки о материалах на ближайшее и более отдаленное будущее. Национальные и международные программы создания новых поколений материалов. Социальные, экономические, экологические аспекты крупномасштабного производства, эксплуатации и регенерации материалов. Конструкционные и функциональные материалы. Различные принципы классификации (функциональных) материалов. Типы (функциональных) материалов (по составу, структуре, свойствам и областям применения, многофункциональные материалы). Физико-химические принципы конструирования новых материалов. Приемы химической комбинаторики. Особенности создания материалов на основе диссипативных структур.

Наносистемы. Образование новой фазы. Кинетика роста зародышей. Формирование ультрадисперсных систем. Кластеры. Эволюция от молекул к материалам. Кластерные серии, условия стабилизации необычных степеней окисления, устойчивость и реакционная способность при изменении кратности связи, электрон-дефицитные соединения с многоцентровой связью металл-металл. Конденсация кластерных фрагментов с образованием цепей, сеток.
Наноструктуры, нанокомпозиты и нанореакторы. Мезопористые структуры, СДГ, аэрогели. Материалы для микроэлектромеханических систем (MEMS). Традиционнные и современные технологии получения ультрадисперсных материалов (методы химической гомогенизации, неравновесные методы, методы, основанные на синергетике химического и физического воздействия, механические и физико-химические процессы диспергирования и смешения порошков.
Биоматериалы. Требования к материалам, используемым для протезирования. Классификация биокерамики по отношению к живой ткани (биоинертная, пористая, биоактивная, ресорбируемая). Керамические материалы на основе Al₂O₃ и ZrO₂, гидроксил- и фтораппатита. Биоактивная стеклокерамика. Механизм взаимодействия биокерамики с живой тканью. Ферромагнитная и радиоактивная биокерамика для лечения злокачественных опухолей. Ультрадисперсные манганиты манганиты в термическом лечении раковых опухолей и транспрте лекарств. Керамика для протезирования зубов. Углеродная керамика для сердечного клапана. Материалы с эффектом памяти (нитинол). Углерод как материал имплантантов. Биомиметика.

Тема 2.4. Теоретические методы и компьютерное моделирование функциональных и биомиметически материалов первого поколения (2 час.)

Основные методы компьютерного моделирования: статистический метод (метод Монте-Карло), метод вариационной квазистатики (молекулярная статика), метод молекулярной динамики. Проблемы компьютерного моделирования. Реалистичность потенциала межатомного взаимодействия. Скорость счета на компьютере. Погрешности счета. Наглядность и разнообразие визуализаторов структуры.

Примеры используемых потенциалов: эмпирические, полуэмпирические, неэмпирические.

Приёмы увеличения скорости счёта. Оптимизация программного кода. Уменьшение объема расчетного блока. Увеличение шага интегрирования по времени. Упрощение потенциальной функции взаимодействия атомов обрезание» потенциала. Разбиение объема расчетного блока на ячейки, — при расчете сил взаимодействия атомов нет необходимости перебирать вновь все атомы расчетного блока, чтобы выяснить какие из них находятся внутри радиуса действия потенциала (“радиуса обрезания”), для этого достаточно рассмотреть только атомы, находящиеся в соседних ячейках. Параллельная обработка данных некоторым числом процессоров (совместное решение одной задачи несколькими компьютерами).

Примеры применения метода молекулярной динамики. Получение аморфной структуры Ni методом моделирования сверхбыстрого охлаждения из расплава. Моделирование кратковременной выдержки полученных аморфных образцов при температурах ниже и выше температуры кристаллизации аморфной фазы (Tg). Исследование стадий деформации нановолокон ряда металлов и сплавов на основе ГЦК решетки. Исследование стабильности композиционных материалов, состоящих из матрицы Ni₃Al и Ni-ых включений, Ni и включений Ni₃Al. Атомные механизмы структурно-энергетических превращений в объеме кристаллов и вблизи границ зерен наклона в гцк металлах.