eng
Выпуск #4/2008
Р.Кадушников, С.Сомина.
Информационно-аналитический инструментарий для национальной наноиндустрии
Информационно-аналитический инструментарий для национальной наноиндустрии
Просмотры: 2033
Бурный рост исследований в России в сфере нанотехнологий и планируемый широкомасштабный переход от лабораторного уровня к промышленному производству изделий требует решения проблемы метрологического обеспечения и качественного контроля параметров выпускаемой продукции. Откликом на эту потребность явилась разработка концепции многомасштабного анализа и моделирования наноматериалов и устройств, реализацией которой стал аналитический комплекс SIAMS-CP Nanotech, созданный компанией SIAMS совместно с Центром фотохимии РАН.
Приоритет развития методов и средств измерений в высокотехнологичных областях, каковой является нанотехнология, уже не раз обсуждался в журнале "Наноиндустрия" [1,2]. Важной и актуальной задачей является возможность предоставления исследователю и производителю эффективного информационно-аналитического инструментария для поддержки технологических процессов в наноиндустрии на всех этапах: от лабораторных исследований структуры и свойств наноматериалов до контроля качества конечного изделия.
Для решения этой задачи потребовалась интеграция усилий ученых и разработчиков программного обеспечения. Разработанный аналитический комплекс SIAMS-CP Nanotech отвечает инновационному подходу к многомасштабному анализу структуры, свойств материалов и происходящих процессов. SIAMS-CP Nanotech представляет собой компьютерные программы для проектирования, исследования и прототипирования материалов и устройств в области нанотехнологий. В комплексе объединены новейшие достижения информационных технологий, методов цифровой микроскопии, алгоритмов анализа изображений и структурно-имитационного моделирования, многомасштабного структурирования и анализа данных.
Системы для двух- и трехмерных измерений и контроля нанообъектов, наноструктур и наноматериалов
Анализ изображений позволяет в исследовательских работах численно сопоставлять взаимосвязь "процесс – структура – свойства" и принимать решения по количественным данным при контроле качества материалов наноиндустрии.
Проектирование наноматериалов, структурные и функциональные характеристики которых определяются свойствами атомов, молекул и структур, требует комплексного подхода к обработке результатов, изучения объекта на различных уровнях (нано-, микро- и макро-), создания аналитического инструментария, реализующего единую систему контроля и анализа информации с различных уровней иерархии структуры [3].
Используемые для анализа изображений программные продукты направлены, прежде всего, на получение интегральных и локальных стереологических параметров. Особенностью многомасштабного анализа изображений нанообъектов является двойственность иерархического описания их свойств. С одной стороны, свертки локальных характеристик объектов порождают интегральные характеристики, с другой, – практически любой интегральный параметр можно использовать для описания свойств отдельного объекта.
Для описания структурной иерархии свойств изображений в SIAMS-CP Nanotech вводятся следующие уровни:
интегральный, характеризующий изображение в целом;
структурный, описывающий взаимное расположение, взаимодействие и взаимозависимость объектов (частиц или фаз) на изображении;
локальный, характеризующий геометрические и цветовые характеристики объектов.
В аналитическом комплексе SIAMS-CP Nanotech реализованы уникальные возможности автоматизированного анализа двумерных и трехмерных изображений нано- и микроструктур, нанообъектов и наноматериалов, получаемых основными аппаратными методами: сканирующей электронной микроскопией и просвечивающей электронной микроскопией, сканирующей зондовой, конфокальной и оптической микроскопией, магнитно-резонансной и компьютерной томографией, лазерным сканированием и др.
Среди наиболее востребованных в России и за рубежом решений в области анализа изображений можно выделить, в частности:
Определение размерных и морфологических параметров нанотрубок и нановолокон.
Определение размерных и морфологических параметров неагломерированных наночастиц и наночастиц в составе агрегатов.
Анализ структуры cамоорганизованных массивов наночастиц.
Анализ наноструктур для полупроводниковой промышленности.
Анализ наноразмерных биообъектов (биомаркеров, квантовых точек, клеток и тканей, флюоресцентных изображений).
Анализ шероховатости и трехмерной визуализации поверхностей.
Многомасштабное моделирование и прототипирование процессов, структур и устройств в нанотехнологиях
Одним из определяющих факторов успешного продвижения российских исследований в области нанотехнологий [4,5] является многомасштабный подход к компьютерному моделированию процессов и материалов.
Во-первых, прототипирование нанотехнологий позволяет существенно сократить цикл разработки и производства новых материалов и устройств.
Во-вторых, управление производственными процессами и жизненными циклами изделий в нанотехнологиях зависит от прогнозирования и управления иерархией физических, химических, биологических явлений, протекающих в различных масштабах размеров и времени. Следовательно, развитие методов многомасштабного моделирования процессов и структур решает задачу интеграции целого спектра технологий.
В-третьих, в стратегической перспективе многомасштабность играет роль объединяющей парадигмы языка науки и техники, осуществляя двухстороннюю передачу знаний и информации из вычислительных в научные модели и представления.
Примером программного инструментария для проектирования наноструктур, наноматериалов и устройств с заданными свойствами и исследования их поведения в различных физико-химических процессах, происходящих на разных масштабных уровнях, может служить система SIAMS-CP Multiscale Modeling.
Эта компьютерная программа позволяет прототипировать наноструктурированные материалы и устройства путем моделирования целенаправленного изменения их состава, структуры и свойств, обеспечивая требуемые сочетания служебных свойств материалов, изделий и конструкций.
В программном продукте SIAMS-CP Multiscale Modeling реализован метод многомасштабного моделирования наносистем с иерархической системой организации, содержащих упорядоченные или неупорядоченные ансамбли элементов разных размеров и архитектур. Объектами моделирования выступают:
наноструктурированные ансамбли органических, металлических и полупроводниковых частиц;
коллоидные частицы сферической и асимметричной формы;
микрокапли водных суспензий наночастиц.
Математические алгоритмы структурно-имитационного моделирования и анализа учитывают широкий диапазон временных и размерных эффектов, происходящих при самоорганизации ансамблей наночастиц в одно-, двух- и трехмерные структуры.
Информационно-аналитическая система управления данными
Интеграцию научно-практических данных в наукоемкий информационный ресурс призваны обеспечить информационные, методологические и программные инструменты, в роли которых выступают информационно-аналитические системы управления данными.
Для эффективного развития инфраструктуры наноиндустрии необходимо, чтобы подобные системы выполняли следующие функции:
Сбор, регистрацию, систематизацию и анализ разномасштабных данных, получаемых различными методами цифровой микро- и наноскопии.
Организацию и отслеживание связей между различными характеристиками исследуемых объектов.
Синтез обобщенных отчетов по результатам исследования объектов, анализ причинно-следственных связей между параметрами, измеренными на различных масштабных уровнях.
Организацию сетевого взаимодействия пользователей.
Регламентирование работы исследователей, протоколирование действий операторов, распределение заданий.
Нанометрология
Широкое внедрение нанотехнологий в промышленное производство достигается высоким уровнем стандартизации, что невозможно без опережающего развития методов и средств измерений [1,2,6].
Под метрологическим обеспечением наноиндустрии понимается комплекс методов и средств линейных измерений для их унификации в нанометровом диапазоне. Нанометрология включает в себя эталонные стандартные образцы и измерительные комплексы (реальные и виртуальные), для аттестации методов визуализации и методик измерений параметров материалов и изделий.
Для калибровки и настройки программно-аппаратных комплексов для анализа нанообъектов, созданных на базе микроскопов и систем анализа изображений, реализуется концепция сопоставления результатов реальных измерений и данных, полученных при имитации процедуры измерения на основе математических и программных моделей тест-объектов и измерительных устройств.
Эта концепция разрабатывается на базе измерительного комплекса "Виртуальный микроскоп" коллективом разработчиков в составе Научно-исследовательского центра по изучению свойств поверхности и вакуума, компании SIAMS, Московского физико-технического института, Института проблем механики РАН, Уральского государственного технического университета – УПИ.
Создание аналитического инструментария для многомасштабного анализа изображений и моделирования наноматериалов проводилось в рамках государственных контрактов Федеральных целевых программ "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России".
Литература
1. Новиков Ю., Тодуа П. Нанотехнология и нанометрология. – Наноиндустрия, № 1, 2007, с. 20–22.
2. Киреев В. Нанотехнологии: история возникновения и развития. – Наноиндустрия, № 2, 2008 (8),с. 2–10.
3. Алфимов М.В., Кадушников Р.М., Антонов И.В. Структурная иерархия характеристик нанообъектов в задачах анализа и контроля перспективных материалов. – Нанотехнологии и информационные технологии – технологии XXI века: Материалы научно-практической конференции.– М.: Изд-во МГОУ, 2006, с. 31–32
4. Алфимов М.В. Нанотехнологии . Роль компьютерного моделирования. – Российские нанотехнологии, 2007, т.2, № 7–8, с.1–5.
5. Кадушников Р.М., Алфимов М.В., Стриханов М.Н., Петров А.Н. Многомасштабное моделирование процессов и материалов нанотехнологий. – I Всероссийская конференция "Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях". Сборник тезисов докладов. – М.: МИФИ, 2008, с. 118.
6. Тодуа П.А. Метрология и стандартизация в нанотехнологиях.– I Всероссийская конференция "Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях". Сборник тезисов докладов. – М.: МИФИ, 2008, с. 301–302.
Для решения этой задачи потребовалась интеграция усилий ученых и разработчиков программного обеспечения. Разработанный аналитический комплекс SIAMS-CP Nanotech отвечает инновационному подходу к многомасштабному анализу структуры, свойств материалов и происходящих процессов. SIAMS-CP Nanotech представляет собой компьютерные программы для проектирования, исследования и прототипирования материалов и устройств в области нанотехнологий. В комплексе объединены новейшие достижения информационных технологий, методов цифровой микроскопии, алгоритмов анализа изображений и структурно-имитационного моделирования, многомасштабного структурирования и анализа данных.
Системы для двух- и трехмерных измерений и контроля нанообъектов, наноструктур и наноматериалов
Анализ изображений позволяет в исследовательских работах численно сопоставлять взаимосвязь "процесс – структура – свойства" и принимать решения по количественным данным при контроле качества материалов наноиндустрии.
Проектирование наноматериалов, структурные и функциональные характеристики которых определяются свойствами атомов, молекул и структур, требует комплексного подхода к обработке результатов, изучения объекта на различных уровнях (нано-, микро- и макро-), создания аналитического инструментария, реализующего единую систему контроля и анализа информации с различных уровней иерархии структуры [3].
Используемые для анализа изображений программные продукты направлены, прежде всего, на получение интегральных и локальных стереологических параметров. Особенностью многомасштабного анализа изображений нанообъектов является двойственность иерархического описания их свойств. С одной стороны, свертки локальных характеристик объектов порождают интегральные характеристики, с другой, – практически любой интегральный параметр можно использовать для описания свойств отдельного объекта.
Для описания структурной иерархии свойств изображений в SIAMS-CP Nanotech вводятся следующие уровни:
интегральный, характеризующий изображение в целом;
структурный, описывающий взаимное расположение, взаимодействие и взаимозависимость объектов (частиц или фаз) на изображении;
локальный, характеризующий геометрические и цветовые характеристики объектов.
В аналитическом комплексе SIAMS-CP Nanotech реализованы уникальные возможности автоматизированного анализа двумерных и трехмерных изображений нано- и микроструктур, нанообъектов и наноматериалов, получаемых основными аппаратными методами: сканирующей электронной микроскопией и просвечивающей электронной микроскопией, сканирующей зондовой, конфокальной и оптической микроскопией, магнитно-резонансной и компьютерной томографией, лазерным сканированием и др.
Среди наиболее востребованных в России и за рубежом решений в области анализа изображений можно выделить, в частности:
Определение размерных и морфологических параметров нанотрубок и нановолокон.
Определение размерных и морфологических параметров неагломерированных наночастиц и наночастиц в составе агрегатов.
Анализ структуры cамоорганизованных массивов наночастиц.
Анализ наноструктур для полупроводниковой промышленности.
Анализ наноразмерных биообъектов (биомаркеров, квантовых точек, клеток и тканей, флюоресцентных изображений).
Анализ шероховатости и трехмерной визуализации поверхностей.
Многомасштабное моделирование и прототипирование процессов, структур и устройств в нанотехнологиях
Одним из определяющих факторов успешного продвижения российских исследований в области нанотехнологий [4,5] является многомасштабный подход к компьютерному моделированию процессов и материалов.
Во-первых, прототипирование нанотехнологий позволяет существенно сократить цикл разработки и производства новых материалов и устройств.
Во-вторых, управление производственными процессами и жизненными циклами изделий в нанотехнологиях зависит от прогнозирования и управления иерархией физических, химических, биологических явлений, протекающих в различных масштабах размеров и времени. Следовательно, развитие методов многомасштабного моделирования процессов и структур решает задачу интеграции целого спектра технологий.
В-третьих, в стратегической перспективе многомасштабность играет роль объединяющей парадигмы языка науки и техники, осуществляя двухстороннюю передачу знаний и информации из вычислительных в научные модели и представления.
Примером программного инструментария для проектирования наноструктур, наноматериалов и устройств с заданными свойствами и исследования их поведения в различных физико-химических процессах, происходящих на разных масштабных уровнях, может служить система SIAMS-CP Multiscale Modeling.
Эта компьютерная программа позволяет прототипировать наноструктурированные материалы и устройства путем моделирования целенаправленного изменения их состава, структуры и свойств, обеспечивая требуемые сочетания служебных свойств материалов, изделий и конструкций.
В программном продукте SIAMS-CP Multiscale Modeling реализован метод многомасштабного моделирования наносистем с иерархической системой организации, содержащих упорядоченные или неупорядоченные ансамбли элементов разных размеров и архитектур. Объектами моделирования выступают:
наноструктурированные ансамбли органических, металлических и полупроводниковых частиц;
коллоидные частицы сферической и асимметричной формы;
микрокапли водных суспензий наночастиц.
Математические алгоритмы структурно-имитационного моделирования и анализа учитывают широкий диапазон временных и размерных эффектов, происходящих при самоорганизации ансамблей наночастиц в одно-, двух- и трехмерные структуры.
Информационно-аналитическая система управления данными
Интеграцию научно-практических данных в наукоемкий информационный ресурс призваны обеспечить информационные, методологические и программные инструменты, в роли которых выступают информационно-аналитические системы управления данными.
Для эффективного развития инфраструктуры наноиндустрии необходимо, чтобы подобные системы выполняли следующие функции:
Сбор, регистрацию, систематизацию и анализ разномасштабных данных, получаемых различными методами цифровой микро- и наноскопии.
Организацию и отслеживание связей между различными характеристиками исследуемых объектов.
Синтез обобщенных отчетов по результатам исследования объектов, анализ причинно-следственных связей между параметрами, измеренными на различных масштабных уровнях.
Организацию сетевого взаимодействия пользователей.
Регламентирование работы исследователей, протоколирование действий операторов, распределение заданий.
Нанометрология
Широкое внедрение нанотехнологий в промышленное производство достигается высоким уровнем стандартизации, что невозможно без опережающего развития методов и средств измерений [1,2,6].
Под метрологическим обеспечением наноиндустрии понимается комплекс методов и средств линейных измерений для их унификации в нанометровом диапазоне. Нанометрология включает в себя эталонные стандартные образцы и измерительные комплексы (реальные и виртуальные), для аттестации методов визуализации и методик измерений параметров материалов и изделий.
Для калибровки и настройки программно-аппаратных комплексов для анализа нанообъектов, созданных на базе микроскопов и систем анализа изображений, реализуется концепция сопоставления результатов реальных измерений и данных, полученных при имитации процедуры измерения на основе математических и программных моделей тест-объектов и измерительных устройств.
Эта концепция разрабатывается на базе измерительного комплекса "Виртуальный микроскоп" коллективом разработчиков в составе Научно-исследовательского центра по изучению свойств поверхности и вакуума, компании SIAMS, Московского физико-технического института, Института проблем механики РАН, Уральского государственного технического университета – УПИ.
Создание аналитического инструментария для многомасштабного анализа изображений и моделирования наноматериалов проводилось в рамках государственных контрактов Федеральных целевых программ "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России".
Литература
1. Новиков Ю., Тодуа П. Нанотехнология и нанометрология. – Наноиндустрия, № 1, 2007, с. 20–22.
2. Киреев В. Нанотехнологии: история возникновения и развития. – Наноиндустрия, № 2, 2008 (8),с. 2–10.
3. Алфимов М.В., Кадушников Р.М., Антонов И.В. Структурная иерархия характеристик нанообъектов в задачах анализа и контроля перспективных материалов. – Нанотехнологии и информационные технологии – технологии XXI века: Материалы научно-практической конференции.– М.: Изд-во МГОУ, 2006, с. 31–32
4. Алфимов М.В. Нанотехнологии . Роль компьютерного моделирования. – Российские нанотехнологии, 2007, т.2, № 7–8, с.1–5.
5. Кадушников Р.М., Алфимов М.В., Стриханов М.Н., Петров А.Н. Многомасштабное моделирование процессов и материалов нанотехнологий. – I Всероссийская конференция "Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях". Сборник тезисов докладов. – М.: МИФИ, 2008, с. 118.
6. Тодуа П.А. Метрология и стандартизация в нанотехнологиях.– I Всероссийская конференция "Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях". Сборник тезисов докладов. – М.: МИФИ, 2008, с. 301–302.
Отзывы читателей
