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.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Головнин В.А., Каплунов И.А., Малышкина О.В., Педько Б.Б., Мовчикова А.А.
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #4/2008
Р.Кадушников, С.Сомина.
Информационно-аналитический инструментарий для национальной наноиндустрии
Просмотры: 2090
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.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art