eng
Выпуск #2/2012
С.Сомина, В.Мизгулин, В.Косульников, Р.Кадушников
Компьютерное моделирование в нанотехнологическом образовании
Компьютерное моделирование в нанотехнологическом образовании
Просмотры: 1805
Подготовка кадров для наноиндустрии предполагает использование компетентностных подходов в образовании. Современные методы исследования, в частности, многомасштабное компьютерное моделирование наносистем в сочетании с информационно-коммуникационными технологиями, способны обеспечить уровень компетенции выпускников вузов, необходимый для работы в инновационных отраслях.
Теги: computer modeling distance learning labs multiscale modeling remote access дистанционное образование компьютерное моделирование лабораторный практикум многомасштабное моделирование научно-образовательная среда удаленный доступscientific and educational environment
Специфика образования в сфере наноиндустрии обусловлена:
динамичным развитием науки о нано-
системах;
использованием современных методов метрологии и диагностики;
междисциплинарным характером нанотехнологий, требующим овладения передовыми химическими и физическими методами
анализа;
использованием в обучении дорогостоящего исследовательского оборудования.
Большинство нанотехнологических систем характеризуются многокомпонентностью и сложной иерархической организацией в широком пространственно-временном диапазоне. Многомасштабное моделирование позволяет раскрыть влияние на макроуровень явлений, возникающих на субнано-, нано-, микро- и мезоуровнях. При этом следует учитывать, что для полных временных и размерных шкал прямые вычисления с применением моделей невыполнимы даже с использованием современных компьютеров. Рассмотрение масштабов разных уровней осуществляется в рамках единой стратегии при передаче данных из моделей одного диапазона величин в другой по отдельности. Внедрение виртуальных экспериментов по многомасштабному моделированию позволяет сократить цикл разработки новых материалов и устройств, снизить расходы на лабораторные исследования. Использование компьютерных методов моделирования в образовательных программах для наноиндустрии развивает способности студентов одновременного осмысления природных явлений на разных масштабных уровнях (рис.1).
Внедрение компьютерного моделирования в образовательный цикл позволяет:
за счет многовариантных модельных расчетов снизить расходы на физические эксперименты на дорогостоящем оборудовании;
сформировать необходимые для работы в инновационной отрасли новые компетенции специалиста;
решать задачи междисциплинарной подготовки кадров.
В рамках Федеральной целевой программы (ФЦП) "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы" Центром фотохимии РАН и компанией SIAMS разработан учебно-методический программный комплекс "Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях", являющийся связующим звеном между теоретическим курсом и инструментально-лабораторной подготовкой по нанотехнологическим специальностям. Комплекс позволяет автоматизировать лабораторные практикумы и научные исследования в вузах. Благодаря простой интеграции новых модулей облегчается внедрение программных разработок для занятий и совместных исследований, открывается доступ к результатам НИР студентов и сотрудников.
В учебном комплексе представлено порядка 30 экспериментов. В их число входят: моделирование и расчет свойств микроструктуры (пористости, диэлектрической проницаемости, плотности и др.); самосборка ансамблей микро- и наночастиц в капле растворителя; изучение оптических свойств наноструктурированных материалов; моделирование адсорбционных и диффузных процессов; конструирование, исследование и оптимизация свойств молекулярных структур (рис.2).
Комплекс уже используется в НОЦ "Органическая нанофотоника" на базе Центра фотохимии РАН, Санкт-Петербургском государственном горном университете, Томском политехническом университете, Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н.Ельцина, Иркутском государственном техническом университете. На очереди – другие вузы национальной нанотехнологической сети.
Новым витком развития комплекса стало участие компании SIAMS в проекте "Мультисервисный информационно-образовательный комплекс", разработанном в рамках направления ФЦП "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2008–2011 годы" на базе национального исследовательского центра "Курчатовский институт". Часть функционала многомасштабного моделирования вошла в состав электронных учебных модулей по направлениям "Наноинженерия" и "Наноэлектроника".
С начала 2011–2012 учебного года на базе созданного комплекса в открытом доступе функционирует образовательный портал nanoModel.ru. По данным Google Analytics, этот ресурс используется в 27 городах России; на нем проведено более 4000 вычислительных экспериментов. В рамках проекта можно выделить:
моделирование и исследование свойств упаковок частиц от нано- до микромасштабов (38% экспериментов интернет-проекта);
исследование свойств молекулярных структур различной сложности (27%);
непосредственное моделирование хемосенсоров (12%);
диффузия и адсорбция (12%);
самоорганизация частиц (11%).
На рис.3 можно отследить динамику проведения вычислительных экспериментов на nanoModel.ru на различных этапах: разработка (2009), проведение исследований (2010). На графике просматривается момент открытия доступа к порталу в 2011 году. Его востребованность в начале 2012 года также существенно отличается от предыдущих лет. Рис.4 демонстрирует динамику накопления базы данных экспериментов с 2009 года.
Приведем наиболее популярные группы экспериментов.
Моделирование и исследование свойств молекул и наночастиц дает возможность конструировать собственные молекулы или исследовать уже готовые: изучать их структуру, величину энергий связей, другие параметры. Один из результатов эксперимента – построение 3D-моделей молекул.
Моделирование диффузии и адсорбции газов позволяет оценить влияние геометрической структуры мембраны на диффузию молекул идеального или молекулярного газа. Особенность модели заключается в учете силы взаимодействия между молекулами газа и частицами мембраны. Моделирование диффузии может производиться не только с использованием наноразмерных мембран, но и моно- и многослойных сенсорных слоев. Для таких экспериментов дополнительно рассчитывается динамика заполнения сенсорных ловушек. Среди результатов – графики зависимости давления и температуры газа от времени, а также визуализация структуры модели и процесса диффузии.
Блок моделирования микроструктур базируется на использовании модели плотной упаковки сфер и сферополиэдров. Подход позволяет моделировать структуры от нанопорошков до поликристаллов. Для математического описания полученной структуры используются триангуляция Делоне и диаграммы Вороного, что обеспечивает высокую скорость и удобство операций с полученной упаковкой частиц. Кроме стандартных графиков и таблиц, выражающих числовые распределения и зависимости, удается получить 3D-модель структуры, что позволяет визуально оценить работу инструмента (рис.5).
Характеристики учебного комплекса:
открытая платформа на базе стандартных языков программирования позволяет интегрировать готовые программные решения и создавать новые;
клиент-серверная архитектура дает возможность устанавливать количество пользователей, проводить централизованный контроль, гибко настраивать систему;
web-ориентированный интерфейс делает обучение необременительным и позволяет организовать дистанционный доступ к ресурсу без дополнительных затрат;
возможна реализация распределенных вычислений, являющихся стандартом в современном компьютерном моделировании;
единая база данных результатов облегчает общение пользователей и работу преподавателей.
В целом важно отметить, что разработанный комплекс служит научно-образовательной средой при реализации междисциплинарной подготовки кадров для наноиндустрии. ■
С возможностями учебно-методического программного комплекса "Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях" можно ознакомиться на сайте www.nanomodel.ru и на выставке "ЭкспоКонтроль 2012" – стенд компании SIAMS (сектор B125, павильон 5). Выставка будет проводиться с 17 по 19 апреля в ЦВК "Экспоцентр" (Москва).
динамичным развитием науки о нано-
системах;
использованием современных методов метрологии и диагностики;
междисциплинарным характером нанотехнологий, требующим овладения передовыми химическими и физическими методами
анализа;
использованием в обучении дорогостоящего исследовательского оборудования.
Большинство нанотехнологических систем характеризуются многокомпонентностью и сложной иерархической организацией в широком пространственно-временном диапазоне. Многомасштабное моделирование позволяет раскрыть влияние на макроуровень явлений, возникающих на субнано-, нано-, микро- и мезоуровнях. При этом следует учитывать, что для полных временных и размерных шкал прямые вычисления с применением моделей невыполнимы даже с использованием современных компьютеров. Рассмотрение масштабов разных уровней осуществляется в рамках единой стратегии при передаче данных из моделей одного диапазона величин в другой по отдельности. Внедрение виртуальных экспериментов по многомасштабному моделированию позволяет сократить цикл разработки новых материалов и устройств, снизить расходы на лабораторные исследования. Использование компьютерных методов моделирования в образовательных программах для наноиндустрии развивает способности студентов одновременного осмысления природных явлений на разных масштабных уровнях (рис.1).
Внедрение компьютерного моделирования в образовательный цикл позволяет:
за счет многовариантных модельных расчетов снизить расходы на физические эксперименты на дорогостоящем оборудовании;
сформировать необходимые для работы в инновационной отрасли новые компетенции специалиста;
решать задачи междисциплинарной подготовки кадров.
В рамках Федеральной целевой программы (ФЦП) "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы" Центром фотохимии РАН и компанией SIAMS разработан учебно-методический программный комплекс "Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях", являющийся связующим звеном между теоретическим курсом и инструментально-лабораторной подготовкой по нанотехнологическим специальностям. Комплекс позволяет автоматизировать лабораторные практикумы и научные исследования в вузах. Благодаря простой интеграции новых модулей облегчается внедрение программных разработок для занятий и совместных исследований, открывается доступ к результатам НИР студентов и сотрудников.
В учебном комплексе представлено порядка 30 экспериментов. В их число входят: моделирование и расчет свойств микроструктуры (пористости, диэлектрической проницаемости, плотности и др.); самосборка ансамблей микро- и наночастиц в капле растворителя; изучение оптических свойств наноструктурированных материалов; моделирование адсорбционных и диффузных процессов; конструирование, исследование и оптимизация свойств молекулярных структур (рис.2).
Комплекс уже используется в НОЦ "Органическая нанофотоника" на базе Центра фотохимии РАН, Санкт-Петербургском государственном горном университете, Томском политехническом университете, Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н.Ельцина, Иркутском государственном техническом университете. На очереди – другие вузы национальной нанотехнологической сети.
Новым витком развития комплекса стало участие компании SIAMS в проекте "Мультисервисный информационно-образовательный комплекс", разработанном в рамках направления ФЦП "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2008–2011 годы" на базе национального исследовательского центра "Курчатовский институт". Часть функционала многомасштабного моделирования вошла в состав электронных учебных модулей по направлениям "Наноинженерия" и "Наноэлектроника".
С начала 2011–2012 учебного года на базе созданного комплекса в открытом доступе функционирует образовательный портал nanoModel.ru. По данным Google Analytics, этот ресурс используется в 27 городах России; на нем проведено более 4000 вычислительных экспериментов. В рамках проекта можно выделить:
моделирование и исследование свойств упаковок частиц от нано- до микромасштабов (38% экспериментов интернет-проекта);
исследование свойств молекулярных структур различной сложности (27%);
непосредственное моделирование хемосенсоров (12%);
диффузия и адсорбция (12%);
самоорганизация частиц (11%).
На рис.3 можно отследить динамику проведения вычислительных экспериментов на nanoModel.ru на различных этапах: разработка (2009), проведение исследований (2010). На графике просматривается момент открытия доступа к порталу в 2011 году. Его востребованность в начале 2012 года также существенно отличается от предыдущих лет. Рис.4 демонстрирует динамику накопления базы данных экспериментов с 2009 года.
Приведем наиболее популярные группы экспериментов.
Моделирование и исследование свойств молекул и наночастиц дает возможность конструировать собственные молекулы или исследовать уже готовые: изучать их структуру, величину энергий связей, другие параметры. Один из результатов эксперимента – построение 3D-моделей молекул.
Моделирование диффузии и адсорбции газов позволяет оценить влияние геометрической структуры мембраны на диффузию молекул идеального или молекулярного газа. Особенность модели заключается в учете силы взаимодействия между молекулами газа и частицами мембраны. Моделирование диффузии может производиться не только с использованием наноразмерных мембран, но и моно- и многослойных сенсорных слоев. Для таких экспериментов дополнительно рассчитывается динамика заполнения сенсорных ловушек. Среди результатов – графики зависимости давления и температуры газа от времени, а также визуализация структуры модели и процесса диффузии.
Блок моделирования микроструктур базируется на использовании модели плотной упаковки сфер и сферополиэдров. Подход позволяет моделировать структуры от нанопорошков до поликристаллов. Для математического описания полученной структуры используются триангуляция Делоне и диаграммы Вороного, что обеспечивает высокую скорость и удобство операций с полученной упаковкой частиц. Кроме стандартных графиков и таблиц, выражающих числовые распределения и зависимости, удается получить 3D-модель структуры, что позволяет визуально оценить работу инструмента (рис.5).
Характеристики учебного комплекса:
открытая платформа на базе стандартных языков программирования позволяет интегрировать готовые программные решения и создавать новые;
клиент-серверная архитектура дает возможность устанавливать количество пользователей, проводить централизованный контроль, гибко настраивать систему;
web-ориентированный интерфейс делает обучение необременительным и позволяет организовать дистанционный доступ к ресурсу без дополнительных затрат;
возможна реализация распределенных вычислений, являющихся стандартом в современном компьютерном моделировании;
единая база данных результатов облегчает общение пользователей и работу преподавателей.
В целом важно отметить, что разработанный комплекс служит научно-образовательной средой при реализации междисциплинарной подготовки кадров для наноиндустрии. ■
С возможностями учебно-методического программного комплекса "Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях" можно ознакомиться на сайте www.nanomodel.ru и на выставке "ЭкспоКонтроль 2012" – стенд компании SIAMS (сектор B125, павильон 5). Выставка будет проводиться с 17 по 19 апреля в ЦВК "Экспоцентр" (Москва).
Отзывы читателей
