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.

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
 
ISSN 1993-8578
ISSN 2687-0282 (online)
Книги по нанотехнологиям
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Пул Ч.П. мл., Оуэнс Ф.Дж.
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 #2/2012
С.Сомина, В.Мизгулин, В.Косульников, Р.Кадушников
Компьютерное моделирование в нанотехнологическом образовании
Просмотры: 3177
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.
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).
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art