Раздел IV. Компьютерное проектирование и эксперимент в области фемтосекундных нанотехнологий процессинга биомиметических наноматериалов и наноустройств нового поколения

Тема 4.1. Компьютерное моделирование самосборки и самоорганизации неравновесных фрактальных наносистем металлов и неметаллов (4 час.)

Формирование островковых наноструктур как фрактальных кластеров и структур их временной эволюции.

Двухстадийная модель самоорганизации наноструктуры из атомного двумерного газа: 1) поатомная самосборка структуры по алгоритму ограниченной диффузией агрегации (ОДА); 2) преобразование структуры по алгоритму «наискорейшего спуска» по поверхности потенциальной энергии. Процессы эволюции и свойств систем атомов никеля при различных внутренних параметрах. Задачи моделирования: синтез кластеров по алгоритму ОДА при различной концентрации атомов в системе; моделирование процессов релаксации в системе атомов никеля при различной температуре; определение значений фрактальной размерности и энтропии в процессе изменения параметров системы; подтверждение самопроизвольности процессов самоорганизации. Поатомная самосборка структуры по алгоритму ограниченной диффузией агрегации (ОДА). с использованием окрестности Мура. Рост нанодендритов. Минимизация энергии синтезированных наночастиц методом «наискорейшего спуска». Три основных вида межатомных потенциалов: потенциал парного взаимодействия атомов в кристалле; потенциал парного взаимодействия в двухатомной молекуле; потенциал парного взаимодействия атомов в кластере. Факторы, которые определяют эволюцию системы во времени: алгоритмы перемещения атомов; радиус захвата атомов при образовании химической связи; изменение энтропии системы; температура;изменение свободной энергии системы. Температура как фактор, определяющий радиус захвата Rкрит, связанную энергию часть свободной энергии Гельмгольца. Конкуренция энергетическго и энтропийного факторов. Роль температуры системы в процессах сампоорганизации. Конечные структуры процесса самоорганизации при различных температурах. Изменения значений фрактальной размерности, числа фрагментов, энтропии, потенциальной и свободной энергии для систем атомов в процессах самоорганизации при заданных температурах.

Тема 4.2. Компьютерное моделирование фемтосекундной корпоративной самосборки и самоорганизации неравновесных наносистем (2 час.)

Существенная неравновестность наносистем в процессах фемтосекундного диапазона. Типичные процессы фемтосекундной самоорганизации наносистем. Терминальные стадии фемтосекундной эволюции – неравновесные стационарное корпоративные состояния движения компонент наносистемы. Неприменимость известных методов термодинамической статистики и квантовой механики в неравновесных процессах фемтосекундной наносистемной эволюции конденсированного состояния. Методы формирования наночастиц конденсированного состояния: «сверху вниз», «снизу-вверх». Роль динамического квантования времени в истории происхождения наноматериалов. Трансформерность квантово-размерных наночастиц как их дискретно различимая изменчивость – мультиструктурность. Отличительные признаки трансформерных наночастиц: вырождение их основного состояния, переходы между топологически различимыми формами, динамическое квантование времени жизни. Бифуркационный характер эволюции материалов в нанометровом диапазоне, как один из ключевых моментов управления «интеллектуальным» движением трансформеров - нанороботов к заданной цели. Эволюция квантово-размерных наночастиц, формируемых «снизу вверх».Рост нанодендритов из паровой фазы или раствора. Пример дендритного кластера никеля, выращенного в модельном эксперименте с помощью модификации модели баллистического роста – алгоритма «случайного дождя». Получение нанокристаллических частиц путем внешнего нагружения материалов. Металлические кластеры, получаемые механохимическим диспергированием, проявляющие нанотрансформерность. Роль формы металлических наночастиц в зависимости от их размеров для катализа. Решение задачи выявления областей формирования каталитических наносистем заданной морфологии.

Тема 4.3. Компьютерное моделирование фемтосекундных нанотехнологий процессинга неравновесных наноструктур графена (4 час.)

Графен, как слой атомов углерода, соединённых посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Графен, как стартовая точка для всех расчетов, выполняемых над графитом, углеродными нанотрубками и фуллеренами. Экспериментальное получение высококачественных нанокристаллитов графена. Наблюдение в графене эффектов баллистический транспорта и квантового эффекта Холла. Проблемы промышленного производства графена с высоким выходом. Перспективные методы получения промышленного графена – расслаивание интеркалированных соединений графита и возгонка кремния с подложек SiC. Потенциальные сферы применения графена: детекторы отдельных молекул газа, графеновые наноленты для полупроводниковых технологий, полевые транзисторы и чипы, интегральные схемы наименьшего из возможных размера, прозрачные электроды для сенсорных и жидкокристаллических экранов, ионисторы (ультра-конденсаторы), биоустройства и т.д. Последовательное теоретическое изучение структуры и динамики графеновых наноструктур из первых принципов. Малость размеров графена, поддающиегося таким расчетам за приемлемые времена. Использование методов компьютерного моделирования на основе алгоритмов Монте-Карло, молекулярной динамики, континуальных моделей и других более специальных техник. Успех задачи моделирования от точности метода расчета потенциалов межатомного взаимодействия. Три группы потенциалов, используемых в моделировании структуры и динамики графеновых монослоев:

1. эмпирические параметризованные потенциалы, конструируемые на основе большой базы экспериментальных и теоретических данных по конкретному классу соединений углерода;
2. полуэмпирические потенциалы, охватывающие более широкий диапазон соединений различной природы и более тесно соотносящиеся с теорией, чем потенциалы первой группы;
3. неэмпирические потенциалы парных взаимодействий, находимые из первых принципов с помощью метода функционала плотности, аппроксимированые с использованием подходящей функциональной зависимости функциями Морзе. Расчёт фемтосекундной нанодинамики графенового монослоя в условиях конечных температур в конденсированном окружении. Оценка термической стабильности графеновых мембран для создания мембранных нанотехнологий (ионные и молекулярные сита; элементы топливных элементов; материал для опреснения и деконтаминации), Моделирование структуры и нанодинамики графена в «реальных» условиях квантово-полевых фемтосекундных режимах внешнего электромагнитного воздействия.