Многоуровневое моделирование процессов синтеза

N-07-SPSPU-2
Паспорт совместного российско-американского проекта
1.
Название
Многоуровневое моделирование процессов синтеза нанокластерных материалов
2.
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.
3.
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
4.
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 (http://www.ipt.arc.nasa.gov/index.html) —
моделирование электронных наноустройств на основе наноалмазов, фуллеренов,
нанотрубок и т.д., один из методов — молекулярная динамика.
 Materials and Process Simulation Center (http://www.wag.caltech.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 (http://www.imm.org/) — производство
молекулярных и наноустройств.
 Центр Фотохимии РАН совместно с ООО «СИАМС» (http://www.photonics.ru/,
http://www.siams.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» (http://www.nanomodel.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).
5.
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.
6.
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).
7.
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.
8.
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.
9.






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.
10.
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» (http://konkurs.innovaterussia.ru/) был только один
заказ создание моделей и моделирование.
11.
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
12.
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).
13.
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:
o установление конкретных договоренностей со всеми партнерами: 1 мес.;
o проведение телеконференции и видеоконференций — не реже 1 раз. в мес.;
o организация и проведение стартовой встречи: в течение первых 3 месяцев проекта;
o 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;
o 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:
o разработка и адаптация моделей различных физических процессов, протекающих с
образованием нанокластеров (молекулярный и надмолекулярный уровень, газодинамика,
теплоперенос, углеродные кластеры): в течение первого года проекта;
o получение необходимых для моделирования экспериментальных данных: в течение
всего проекта;

Computational Materials Group of University of Virginia:
o 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;
o сравнение результатов расчетов методом прямого статистического моделирования
Монте-Карло и молекулярной динамики: в течение первого и второго года проекта;

Центр фотохимии РАН:
o разработка и адаптация алгоритмов и методов расчета для программ реализующих
модели физических процессов образования нанокластерхных структур : в течение первого
года проекта;
o получение необходимых для моделирования экспериментальных данных: в течение
всего проекта;
o апробация результатов вычислительных экспериментов: в течение всего проекта;

ООО «СИАМС»:
o разработка и адаптация алгоритмов и методов расчета для программ реализующих
модели физических процессов образования нанокластерхных структур: в течение первого
года проекта;
o 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;
o разработка общей платформы для комплекса многоуровневых моделей, алгоритмов и
программ: в течение всего проекта;
14.
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..