Раздел III. Фундаментальные основы наноинжиниринга и компьютерных нанотехнологий нового поколения

Тема 3.1. Фундаментальные основы наноинжиниринга (4 час.)

Целенаправленный контроль и модификация формы, размера, взаимодействия и интеграции наночастиц. Физико-химические мультиструктуры вещества. Система базовых элементов топологии мультиструктур вещества. Целенаправленный контроль и модификация формы, размера, взаимодействия и интеграции наночастиц. Силы связи в мультиструктурах вещества: силы когезии наночастиц, силы адгезии между наночастицами. Особенности манипулирования силами связи в нанотехнологиях Целенаправленный контроль и модификация формы, размера, взаимодействия и интеграции наночастиц. Функциональная организация мультиструктур наноматериалов. Самоорганизация термостатистических макросистем наночастиц. Соотношения температурных неопределенностей для термостатистических процессов и флуктуации энергии, ограничивающие сверху размер наноструктурных частиц. Функциональные процессы самоорганизации наночастиц. Целенаправленный контроль и модификация формы, размера, взаимодействия и интеграции наночастиц. Роль квантовых измерений в дизайне наносистем. Мультитрансформеры наносистем.

Тема 3.2. Компьютерные нанотехнологии: моделирование и процессинг неравновесных наносистем (6 час.)

Процессинг корпоративных наносистем в природе. Принципы квантово-запутанных самосборок и самоорганизаций. Наносистемы сложных нанометровых биоэлементов: наномембраны, нанокатализаторы, «топливные наноэлементы» и «биоскелеты» клетки.

Моделирование и компьютерный расчет наноструктур вещества. Моделирование наноструктурных процессов методом статистических операторов и матриц плотности. Математический аппарат. Вычисление средних значений физико-химических величин. Основы теории функционала плотности. Расчёт сил связи методом нелокального функционала плотности. Матрицы плотности в теории измерений наночастиц. Матрицы плотности в статистической термодинамике наночастиц. Моделирование наноструктурных процессов методом квантовой топологии. Математический аппарат. Квантовая топология атомов. Моделирование и компьютерный расчет наноструктур вещества. Моделирование наноструктурных процессов методом квантовой топологии. Квантовая топология лоджий. Моделирование наноструктурных процессов квантово-полевыми методом. Основы термополевой динамики и квантово-полевой химии конденсированных состояний. Моделирование наноструктурных процессов информационными методами. Использование квантовых информаций Фишера, Шеннона, Хартли в описании мультитрансформеров наноуровня. Процессинг квантовой информации в наносистемах мультитрансформеров.

Тема 3.3. Компьютерное моделированиие самосборки и самоорганизации наносистем с использованием метода Монте-Карло (6 час.)

Метод Монте-Карло. Исключение классического траекторного движения наноструктурных единиц, учет термостатистической стохастичности процессов, внешних параметров, таких как T, V, N, C_i Адаптация метода Монте-Карло к моделированию неравновесных процессов самосборки наносистем в заданном наноскопическом объёме. Алгоритм Метрополиса и его модифицикация для учёта двух предельных типов квантово-статистической коррелированности корпоративного движения атомов: сильно-коррелированного и слабо-коррелированного состояния квантового движения атомов наночастицы. Этапы компьютерного эксперимента. Расчёт энергии связи методом орбитально-оболочечного функционала плотности. Использование потенциалов типа Морзе для получения аналитической аппроксимации неэмпирических потенциалов. Программный комплекс «Nano Monte-Carlo». Использование данного программного комплекса для моделирования процессов формирования нанокластеров переходных металлов. Закономерности в изменении формы нанокластеров в зависимости от характера корреляции атомов, Их использование для управления процессами формирования наноматериалов с заранее заданными свойствами. Использование для создания адаптивно перестраивающихся наноструктур высокоактивных катализаторов с сильно развитой поверхностью и большим количеством каталитически активных центров. Реализация закономерностей самосборки наносистем атомов при условии нахождения способов влияния на корреляционные волновые функции наночастиц электрическими и магнитными полями. Компьютерная модель процессов формирования наноструктур.

Тема 3.4. Компьютерное моделирование процессов плавления наночастиц (4 час.)

Два типа размерных эффектов плавления наночастиц: внутренний, и внешний. Температура плавления – температура, при которой кристаллическая структура твёрдой фазы исчезает и заменяется неупорядоченным состоянием жидкой фазы. Температура плавления как функция размера наночастицы и ее геометрии. Наиболее заметное изменение физико-химических свойств в интервале от 1 до 10 нм. Изменение температуры плавления с уменьшением размера образца. Кинетические особенности химических процессов на поверхности наночастиц. Исследование зависимости температуры плавления от химического состава, размера и формы наночастиц. Термодинамическая модель перехода из твёрдого состояния в жидкое с увеличением температуры в результаьте появления на поверхности наночастицы бесконечно малого жидкого слоя. Роль поверхностного натяжения, отражающего взаимодействие жидкое-твёрдое и изменяющего энергию наносистемы. Фононная модель. Зависимость температуры плавления наночастиц металлов от размера на основе критериев Линдемана. Критичное влияние доли поверхностных атомов в наночастицах через критерий Линдемана. на зависимость температуры плавления наночастиц от их размера. Применение термодинамической и фононной моделей к расчету температуры плавления наночастиц простых, благородных и d-переходных металлов.